JP5096480B2 - 固体レーザー装置及び画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体レーザー結晶と波長変換素子とを用いた内部共振器型の固体レーザー装置及び当該固体レーザー装置を用いた画像表示装置に関するものである。
半導体レーザー励起の固体レーザー装置は、半導体レーザー光源からのレーザー光により固体レーザー結晶を励起してレーザー発振を行わせるものであり、小型で軽量である、長寿命である、電気光変換効率が高い、動作が安定している等の特徴を有し、種々の産業分野において利用されている。
図１８は、従来の半導体レーザー励起の内部共振器型の固体レーザー装置１０１の構成を示す図である。半導体レーザー光源１１０から出射した波長８０８ｎｍ近傍のポンプ光１１９は、コリメートレンズ１１１にて平行光に近づけられた後、波長ロックデバイス１１２を透過し、結合レンズ系１１３により固体レーザー結晶１１５に入射される。固体レーザー結晶１１５の片側端面には、基本波に対する反射ミラー１１６が形成されている。
ポンプ光により励起された固体レーザー結晶１１５からは、波長１０６４ｎｍ近傍の基本波１２０が出力される。基本波１２０は、出力ミラー１１７に形成された反射コーティング１２３と反射ミラー１１６とで形成される内部光共振器において発振する。この基本波１２０が非線形光学媒質の波長変換素子１１８に入射することにより、基本波１２０の第２次高調波成分（高調波１２１，１２２）が発生する。発生した高調波１２１，１２２は、出力ミラー１１７を通して外部に出射する。
このような固体レーザー装置を用いれば、高出力の緑色光を得ることができる。具体的構成例としては、例えば半導体レーザー光源を用い、Ｎｄ：ＹＶＯ４等からなる固体レーザー結晶を励起させ、反射ミラーと出力ミラーとの間で固体レーザー結晶のレーザー発振を起こさせる。このレーザー発振により波長１０６４ｎｍの基本波が得られる。この基本波を波長変換素子に入射することにより、波長５３２ｎｍの第２次高調波が得られる。このような構成とすることで高出力の緑色光が得られるので、レーザーを用いたディスプレイ等への応用が可能となることから開発が活発に行われている。
図１９は、従来の画像表示装置の概略構成を示す図である。画像表示装置２０１は、赤色光源２０２、緑色光源２０３及び青色光源２０４を備える。赤色光源及び青色光源は、半導体レーザーで構成される。緑色光源は、内部共振器型の半導体レーザー励起固体レーザー装置で構成される。各光源から出力されたレーザー光は、ダイクロイックミラー２１０で反射された後、均一化光学系２０５を透過し、偏光ビームスプリッター２０７へ入射する。その後、偏光ビームスプリッター２０７は、画像変換デバイスへレーザー光を反射させる。画像変換デバイスには反射型液晶パネル２０６が用いられている。反射型液晶パネル２０６へ入射したレーザー光は、映像信号に応じて反射され、出射レンズ２０８を透過し映像として出力される。
各光源の出力は、制御回路２０９により制御されている。また、画像表示装置２０１は電池２１１を具備しており、電池駆動が可能になっている。光源にレーザーを用いることで、従来のランプを用いた装置に比べて色再現性の拡大、瞬時の立ち上げ、及び装置の小型化を実現することができる。
半導体レーザー励起固体レーザー装置の出力安定化についてもいくつかの技術が提案されている。図１８に示す内部共振器型の半導体レーザー励起固体レーザー装置においては高調波が波長変換素子に再入射することで出力が不安定になる場合がある。
図１８において、左から右へ進む基本波により発生する高調波１２１と、右から左へ進む基本波により発生する高調波１２２との２つの高調波が存在する。発生する高調波を有効活用するために、反射ミラー１１６は、高調波に対する高反射膜とするのが一般的である。ただし、この場合、高調波１２２は反射ミラー１１６にて反射した後、再度波長変換素子１１８へ入射する。このとき、高調波から基本波への逆変換が一部発生する。逆変換された基本波はもとの基本波１２０とは位相が若干ずれる場合があり、逆変換された基本波ともとの基本波との干渉が発生し、基本波出力の変動が起こる。結果として、図２０に示すように高調波出力の不安定化が発生する。
図２０は、光共振器内で高調波が基本波に逆変換されるために起こる高調波出力の不安定化を説明するための図である。図２０に示すように、ポンプ光の光量が増加するにしたがって、高調波出力は、増加し、一旦減少した後、再度増加する。このように、光共振器内で高調波が基本波に逆変換されるため、逆変換された基本波ともとの基本波とが干渉し、高調波出力が不安定なものとなる。
上記課題に対して、特許文献１では一方の高調波を吸収する構成を提案している。また、特許文献２では図２１に示すような構成を用いている。図２１は、高調波の出力安定性を実現する従来の固体レーザー装置の構成を示す図である。
半導体レーザー光源３０１から出射されたポンプ光３０２は、固体レーザー結晶３０３に対して斜めに入射する。２つの反射ミラー３０４，３０７で形成された光共振器内で基本波３０６が発生し、基本波３０６の一部は波長変換素子３０５にて高調波に変換される。図２１中の左から右に進む基本波から発生した高調波３０８は、反射ミラー３０７を透過して出力される。反射ミラー３０７は、高調波に対して低反射になっている。
一方、図中の右から左に進む基本波から発生した高調波３０９は、反射ミラー３０４を透過して出力される。反射ミラー３０４も、高調波に対して低反射になっている。上述の構成により、２つの高調波は別方向に取り出され、基本波への悪影響を防止している。
特許第３２２２２８８号公報 特開２００６−１８６０７１号公報
しかしながら、特許文献１の例においては、一方の高調波が吸収されてしまうため、高調波出力が約半分となってしまうため、効率が悪く、高出力化が困難となる。また、特許文献２の例では、高調波が正反対の方向に取り出される。そのため、出力される２つの高調波のどちらも利用しようとする場合、どちらかのビームの向きを変える必要があり、光学部品の増加を招きコストアップの要因となる。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、高調波の出力を安定させることができ、部品点数の増加なしに複数の高調波を利用することができる固体レーザー装置及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。
本発明の一局面に係る固体レーザー装置は、ポンプ用のレーザー光を出射する半導体レーザー光源と、前記レーザー光の入射により励起され、基本波を発振する固体レーザー結晶と、前記固体レーザー結晶を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーとから構成される光共振器と、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子とを備え、前記光共振器内で発生した複数の高調波のうち、少なくとも１つの高調波の光軸を前記基本波の光軸と異ならせ、異ならせた少なくとも１つの高調波を他の高調波と略同一方向に出力するように、前記波長変換素子が前記光共振器の内部に配置されている。
この構成によれば、半導体レーザー光源は、ポンプ用のレーザー光を出射する。光共振器は、レーザー光の入射により励起され、基本波を発振する固体レーザー結晶と、固体レーザー結晶を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーとから構成される。波長変換素子は、基本波を高調波に変換する。そして、光共振器内で発生した複数の高調波のうち、少なくとも１つの高調波の光軸を基本波の光軸と異ならせ、異ならせた少なくとも１つの高調波を他の高調波と略同一方向に出力するように、波長変換素子が光共振器の内部に配置されている。
本発明によれば、光共振器内で発生した複数の高調波のうちの少なくとも１つの高調波の光軸と基本波の光軸とが異なるので、高調波から逆変換された基本波と元の基本波とが干渉するのを防止し、高調波の出力を安定させることができる。また、少なくとも１つの高調波が他の高調波と略同一方向に出力されるので、部品点数の増加なしに複数の高調波を利用することができる。
本発明の実施の形態１にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。 図１の波長変換素子の近辺を拡大した図である。 本発明の実施の形態２にかかる固体レーザー装置で用いられる波長変換素子の構成を示す図である。 複数の異なる周期の分極反転領域を有する波長変換素子の温度特性を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。 分極反転周期の異なる複数の波長変換素子の温度特性を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態６にかかる固体レーザー装置で用いられる波長変換素子の構成を示す図である。 複数の異なる周期の分極反転領域を有する波長変換素子の温度特性を示す図である。 本発明の実施の形態７にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態８にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態９にかかる固体レーザー装置で用いられる波長変換素子の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１０にかかる画像表示装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１０にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１１にかかる画像表示装置をバックライトユニット側から見た平面図である。 図１６の１７−１７線における断面図である。 従来の固体レーザー装置の構成を示す図である。 従来の画像表示装置の概略構成を示す図である。 光共振器内で高調波が基本波に逆変換されるために起こる高調波出力の不安定化を説明するための図である。 高調波の出力安定性を実現する従来の固体レーザー装置の構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合がある。また、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内部共振器型の固体レーザー装置１ａの構成を示す図である。本実施の形態１の固体レーザー装置１ａは、半導体レーザー光源１０、ロッドレンズ１１、ボリュームブラッググレーティング（以下、ＶＢＧとする）１２、ボールレンズ１３、光共振器２、凹面ミラー１７及び波長変換素子１８を備えている。
半導体レーザー光源１０は、ポンプ用のレーザー光（以下、ポンプ光とも言う）１９を出射する。光共振器２は、ポンプ光１９の入射により励起され、基本波２０を発振する固体レーザー結晶１５と、固体レーザー結晶１５を挟む位置にそれぞれ配置された１対の基本波反射膜１４，１６とから構成される。波長変換素子１８は、光共振器２の内部に配置され、基本波２０を複数の高調波２１，２２に変換する。
本実施の形態１の固体レーザー装置１ａでは、ポンプ光１９は、半導体レーザー光源１０から出射し、ロッドレンズ１１、ボリュームブラッググレーティング１２及びボールレンズ１３を介し固体レーザー結晶１５に入射する。
固体レーザー結晶１５として、Ｎｄの濃度が異なる固体レーザー結晶を貼り合わせたコンポジット型のものを用いると固体レーザー結晶内での温度上昇が抑制でき、高出力化しやすい。この場合、ポンプ光入射側のＮｄ濃度を低くしておけばポンプ光が固体レーザー結晶で徐々に吸収されることになるので温度上昇が抑制できる。本実施の形態１では、固体レーザー結晶１５として、ＮｄがドーピングされたＹＶＯ４結晶を用いている。固体レーザー結晶１５の材料としては、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、及びＥｒ：ＹＡＧなどでもよい。
半導体レーザー光源１０から出射した波長８０８ｎｍ近傍のポンプ光１９は、ロッドレンズ１１により垂直方向の成分がコリメートされた後にＶＢＧ１２に入射する。ＶＢＧ１２に入射したポンプ光１９は、その一部が反射されて半導体レーザー光源１０にフィードバックされる。これにより、半導体レーザー光源１０の発振波長はＶＢＧ１２により選択された波長（８０８ｎｍ）にロックされる。なお、ここで発振波長を８０８ｎｍに選択している理由は、Ｎｄ：ＹＶＯ４が効率よくレーザー光を吸収するためである。材料の異なる固体レーザー結晶を用いる場合にはその固体レーザー結晶に適した発振波長とすればよく、８０８ｎｍに限定されるものではない。
このように、ＶＢＧ１２を用いることで、温度変化が生じても半導体レーザー光源１０の発振波長をほぼ一定に保持でき、半導体レーザー光源１０の高精度の温度制御を不要にすることができる。そのため、ペルチエ素子などの高精度な温調デバイスが不要となるので、装置の低コスト化、省電力化、及び小型化が容易になる。
なお、本実施の形態１では、半導体レーザー光源１０の発振波長のロックにＶＢＧ１２を用いた場合について説明しているが、誘電体多層膜により構成されるバンドパスフィルターを用いてもよい。あるいは、半導体レーザー光源１０が、ポンプ光１９の発振波長を固定する機能を有してもよい。すなわち、半導体レーザー光源１０自体が波長ロック機能を備えたＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザーやＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザーであってもよい。以下の実施の形態でも同様である。
ＶＢＧ１２により波長がロックされたポンプ光１９は、ボールレンズ１３により固体レーザー結晶１５へ集光される。ボールレンズ１３を用いることで光学系の小型化が容易になる。また、非球面レンズなどに比べ、作製しやすいため、低コスト化が可能となる。固体レーザー結晶１５は、ボールレンズ１３により集光されたポンプ光１９により励起され、波長１０６４ｎｍの基本波２０を発生させる。
基本波２０は、固体レーザー結晶１５を挟むように設けられた基本波反射膜１４と凹面ミラー１７に形成された基本波反射膜１６とで形成される光共振器２内で共振する。固体レーザー結晶１５及び凹面ミラー１７の表面には、それぞれ基本波反射膜１４，１６が形成されている。基本波反射膜１４，１６は、誘電体多層膜で構成される。そして、光共振器２内に配置された擬似位相整合型の波長変換素子１８により、基本波２０の一部が波長変換され、第２次高調波レーザー光である波長５３２ｎｍの緑色光が外部に出力される。
本実施の形態１では、波長変換素子１８としては、ＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ３基板に周期的に分極反転領域２３を形成した擬似位相整合型の波長変換素子を用いている。ＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ３基板は非線形定数が大きく、波長変換素子の厚みを小さくできる。そのため、波長変換可能な温度範囲が広げられるので、固体レーザー装置の駆動温度範囲の拡大が実現できる。
図２は、図１の波長変換素子の近辺を拡大した図である。波長変換素子１８は、平行四辺形に研磨され、光共振器２内にブリュースター角で挿入されている。波長変換素子１８は、直方体の波長変換素子の光入射面及び光出射面を、断面が平行四辺形になるように斜めに研磨することで作成される。ブリュースター角は波長変換素子１８の基本波入射面に対して６５°である。波長変換素子１８の研磨角は２５°とした。
波長変換素子１８を２５°の角度で研磨するのは以下の理由からである。波長変換素子１８には波長変換を高効率に行うために周期状の分極反転領域２３が形成されている。しかしながら、分極反転領域２３の深さは波長変換素子を貫通するまでには深くできない。また、分極反転領域２３を深くすれば周期状構造の乱れが起こりやすくなり、変換効率の低下を招きやすくなる。よって、分極反転領域２３の深さは波長変換素子の半分程度が好ましい。具体的には、分極反転領域２３の深さは、２００μｍ〜５００μｍである。研磨角を２５°前後にすれば図２に示すように基本波２０は分極反転領域２３に対してほぼ垂直に透過するようになるため、分極反転領域２３の深さがあまり必要ではなくなる。よって、高効率な波長変換が実現される。
なお、上述の効果を得るには、波長変換素子１８の研磨角は２５±５°の範囲であればよい。また、波長変換素子１８を光共振器２内にブリュースター角で挿入することで、波長変換素子１８への入射時における反射ロスが低減される。光共振器２内の光学ロスが増加すると光共振器２内の基本波光量が減少するため、得られる高調波出力が小さくなるという問題が発生する。
しかしながら、波長変換素子１８をブリュースター角で挿入すれば波長変換素子１８の入射面及び出射面での反射ロスはほぼゼロとなるので基本波光量の低下をほぼなくすことができ、光共振器２内における光量損失を低下させることができる。すなわち、高調波出力の低下が防止できるので、固体レーザー装置１ａの発光効率の低下を防ぐことができる。波長変換素子１８に基本波に対する無反射コートを施した場合でも反射ロスは若干残る。加えて、波長変換素子１８の両面を斜め研磨して光共振器２内に挿入することで高調波出力の安定化を実現できる。
また、２５±５°の角度で波長変換素子１８が研磨されるので、分極反転領域２３の深さを浅くすることができ、分極反転領域２３を容易に形成することができる。
図１に示すように、光共振器２内では基本波２０は左右どちらの方向にも進んでいる。一方、発生する高調波は２つ存在する。図１中を左から右に進む基本波２０によって高調波２１が発生する。高調波２１は基本波２０よりも短波長であるため、波長変換素子１８に対する屈折率が大きく、基本波２０とは異なる角度で出射する。また、図１中を右から左に進む基本波２０によって高調波２２が発生する。高調波２２は波長変換素子１８を出射した後、固体レーザー結晶１５内を透過して基本波反射膜１４にて反射される。基本波反射膜１４は、高調波に対しても高反射となるように設計されている。基本波反射膜１４で反射された高調波２２は再度波長変換素子１８に入射後、波長変換素子１８を透過して凹面ミラー１７より出力される。
高調波２１と高調波２２とは別の光路を通るため互いに干渉することはない。また、波長変換素子１８に再入射した高調波２２は基本波２０と別光路を通るため、仮に高調波から基本波への逆変換が発生した場合でも基本波２０への影響がない。そのため、基本波及び高調波の出力変動はほとんどない。図１の構成を用いれば、発生する２つの高調波２１，２２の進行方向はほぼ同一方向であるため、出力される２つの高調波２１，２２の利用が容易になる。
このように、半導体レーザー光源１０は、ポンプ用のレーザー光を出射する。光共振器２は、レーザー光の入射により励起され、基本波を発振する固体レーザー結晶１５と、固体レーザー結晶１５を挟む位置にそれぞれ配置された１対の基本波反射膜１４，１６とから構成される。波長変換素子１８は、基本波２０を複数の高調波２１，２２に変換する。そして、光共振器２内で発生した複数の高調波２１，２２のうち、少なくとも１つの高調波２２の光軸が基本波２０の光軸と異ならせ、異ならせた少なくとも１つの高調波２２が他の高調波２１と略同一方向に出力するように、波長変換素子１８が光共振器２の内部に配置される。
したがって、光共振器２内で発生した複数の高調波２１，２２のうちの少なくとも１つの高調波２２の光軸と基本波２０の光軸とが異なるので、高調波から逆変換された基本波と元の基本波とが干渉するのを防止し、高調波の出力を安定させることができる。また、少なくとも１つの高調波２２が他の高調波２１と略同一方向に出力されるので、部品点数の増加なしに複数の高調波を利用することができる。
なお、本実施の形態１では、波長変換素子１８としてＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ３基板に周期的な分極反転領域を形成した擬似位相整合型の波長変換素子を用いているが、基板材料としてＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）、又はＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）をベースに用いた基板を使用した場合でも有効であるのは自明である。また、本実施の形態１では波長変換により緑色光を出力する場合について説明したが、本実施の形態１の固体レーザー装置を用いて他色光を出力させる場合でも有効であるのは自明である。以下の実施の形態でも同様である。
また、本実施の形態１ではボールレンズ１３を用いた光学系によりポンプ光１９を固体レーザー結晶１５に入射させているが、非球面レンズ又はシリンドリカルレンズ等その他のレンズを用いて固体レーザー結晶１５にポンプ光１９を導いても良い。以下の実施の形態でも同様である。
また、本実施の形態１では、固体レーザー結晶１５として、Ｎｄが１〜３％ドーピングされたＹＶＯ４結晶を用いている。Ｎｄの濃度が１％未満であるとポンプ光の吸収長が長くなるため、固体レーザー結晶１５の大型化を招く。一方、Ｎｄの濃度が３％以上になると固体レーザー結晶１５の構造が不安定となる。そのため、Ｎｄの濃度は１〜３％が好ましい。以下の実施の形態でも同様である。
以上、本実施の形態１によれば、高調波出力の安定化が実現され、発生した高調波はほぼ同一方向に進む。したがって、例えば本実施の形態１の固体レーザー装置１ａをディスプレイ装置などに利用した場合、出力安定化が容易な光源として利用できる。また、出力安定化に伴う部品増や出力ロスが無い。
（実施の形態２）
本実施の形態２では、複数の異なる周期を有する分極反転領域が形成された波長変換素子を光共振器内に挿入して用いる例について説明する。本実施の形態２で用いる波長変換素子は、実施の形態１と同様に斜めに研磨され、光共振器内にブリュースター角で挿入される。
図３は、本発明の実施の形態２にかかる固体レーザー装置で用いられる波長変換素子５９の構成を示す図である。なお、実施の形態２において、波長変換素子５９以外の構成は、実施の形態１の固体レーザー装置と同じである。図３に示すように、波長変換素子５９には、第１の分極反転領域６０と、第１の分極反転領域６０とは異なる周期で形成された第２の分極反転領域６１とが作製されている。
図４は、複数の異なる周期の分極反転領域を有する波長変換素子の温度特性を示す図である。図４において、横軸は温度を表し、縦軸は高調波出力を表す。第１の分極反転領域６０における高調波出力の温度特性４０及び第２の分極反転領域６１における高調波出力の温度特性４１は、図４のようになっている。第１の分極反転領域６０及び第２の分極反転領域６１は、それぞれ異なる温度で変換効率が最大になるように作製されている。
本実施の形態２において、第１の分極反転領域６０は１５℃で変換効率が最大となるように設計され、第２の分極反転領域６１は５０℃で変換効率が最大となるように設計されている。第１の分極反転領域６０における高調波出力の温度特性４０と第２の分極反転領域６１における高調波出力の温度特性４１とを合わせた温度特性４２は、広い温度範囲で出力変動を小さくすることが可能となる。本実施の形態２の波長変換素子５９を用いれば、光源温度が１５℃から５０℃の範囲で出力変動が抑制されるため、出力を安定化するための制御が容易となる。
このように、波長変換素子５９には複数の異なる周期の分極反転領域（第１の分極反転領域６０及び第２の分極反転領域６１）が形成されているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
本実施の形態２で用いた複数の異なる周期の分極反転領域を有する波長変換素子５９は、光共振器２内に挿入されることで、ワンパス方式又は導波路方式等の他の方式で波長変換する場合に比べ、より効果が大きくなる。すなわち、光共振器２を用いることなく、基本波２０を１回透過させることで波長変換を行うワンパス方式又は導波路方式では、波長変換に必要な作用長が大きいため、波長変換素子の光軸方向の長さを長くする必要がある。波長変換素子の光軸方向の長さを長くする場合、周期状の分極反転領域の形成が基本波透過領域の全域で均一であることが要求される。そのため、波長変換素子の歩留まりの低下が生じやすくなる。また、波長変換素子が長くなることはコストの上昇や固体レーザー装置の大型化にも繋がる。
一方、本実施の形態２のように、波長変換素子５９を内部共振器に挿入する場合、光共振器２内の基本波パワーが非常に大きい。そのため、波長変換素子の長さは短くても良く、分極反転領域形成の尤度が大きくなる。具体的には、ワンパス方式では数十ミリメートルの波長変換素子長が必要であるのに対し、光共振器２に波長変換素子を挿入する場合は１．５〜２．５ミリメートル程度の波長変換素子長でよいので、同一ウェハー内から採れるサンプル数も１０倍以上になり、コストダウンが可能となる。
さらに、本実施の形態２のように、複数の異なる周期の分極反転領域が形成される場合、単一周期の分極反転領域で温度幅を広げる場合に比べて変換効率を高くすることができる。単一周期の分極反転領域で温度範囲を広げる場合、波長変換素子の長さを短くする必要があるので変換効率は低下する。変換効率の向上により、固体レーザー装置の電気−光変換効率が向上するので、発熱量の低減につながり、固体レーザー装置を搭載する装置の放熱が容易になり、放熱に必要な部分の体積を小さくすることができる。
なお、本実施の形態２では２つの異なる周期構造を有する分極反転領域を用いているが、３つ以上の異なる周期の分極反転領域に分けた場合や、分極反転領域の周期を連続的に変化させた場合でも上記と同様の効果が得られる。
以上、本実施の形態２により、広い温度範囲での出力変動が抑制できるため、ペルチエ素子などを用いて高精度な温度制御をしなくても高調波出力の安定化を実現することができ、低コスト化及び省電力化に有効である。
（実施の形態３）
本実施の形態３では、光共振器内に斜め研磨された複数の波長変換素子をブリュースター角で挿入する例について説明する。
図５は、本発明の実施の形態３にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。図５に示す固体レーザー装置１ｂは、半導体レーザー光源１０、ロッドレンズ１１、ＶＢＧ１２、ボールレンズ１３、光共振器２、凹面ミラー１７及び波長変換素子１８，２４を備えている。実施の形態３の固体レーザー装置１ｂの基本構成は、実施の形態１の固体レーザー装置１ａと同様であるが、光共振器２内に波長変換素子２４を追加している。
図５に示すように、波長変換素子１８と基本波反射膜１６との間に波長変換素子２４を追加することによって、出射される高調波の数が増加する。すなわち、４つの高調波２１，２２，２５，２６が固体レーザー装置１ｂから出力される。高調波の数が増加すると均一化光学系２７での光強度の均一化が容易となる。均一化光学系２７は、ロッドインテグレーター、フライアイレンズ又はレンチキュラーレンズなどで構成される。加えて、本固体レーザー装置を液晶ディスプレイのバックライトに使用する場合、固体レーザー装置１ｂから出射する高調波ビームが複数存在するので、導光板での光の均一化が容易になる。
また、波長変換素子１８と波長変換素子２４とで分極反転周期を異ならせることによって、より幅広い温度範囲での出力変動を抑制できる。この点については図６を用いて説明する。
図６は、分極反転周期の異なる複数の波長変換素子の温度特性を示す図である。図６において、横軸は温度を表し、縦軸は高調波出力を表す。図６中の実線は、波長変換素子１８における高調波出力の温度特性４３と、波長変換素子２４における高調波出力の温度特性４４とを示している。波長変換素子１８及び波長変換素子２４は、それぞれ異なる温度で変換効率が最大になるように作製されている。
分極反転周期が異なっていると、それぞれの波長変換素子１８，２４がカバーする温度範囲は異なる。それぞれの波長変換素子１８，２４がカバーする温度範囲は限られているが、光共振器２内に分極反転周期の異なる２つの波長変換素子１８，２４を挿入することによって合計される高調波出力の温度特性４５は、図６中の点線のようになり、温度変化が生じたときの高調波の出力変動が広い温度範囲で小さくなる。
以上、本実施の形態３によれば、複数の波長変換素子１８，２４の分極反転周期がそれぞれ異なっているので、高調波出力の安定化を実現しながら、使用可能な温度範囲を拡大することができる。さらに、複数の波長変換素子１８，２４が光共振器２内に挿入されているので、出射される高調波のビーム数が増加し、出射されるビームの光量を容易に均一化することができる。その結果、本固体レーザー装置１ｂを液晶ディスプレイのバックライトに用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態４では、高調波反射膜の形成された波長変換素子を光共振器内に斜めに挿入し、複数の高調波を出力させ、高調波出力の安定化を実現する例について説明する。
図７は、本発明の実施の形態４にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。図７に示す固体レーザー装置１ｃは、半導体レーザー光源１０、ロッドレンズ１１、ＶＢＧ１２、ボールレンズ１３、光共振器２、凹面ミラー１７及び波長変換素子２８を備えている。実施の形態４の固体レーザー装置１ｃの基本構成は、実施の形態１の固体レーザー装置１ａと同様であるが、光共振器２内に挿入される波長変換素子２８の構造が異なっている。波長変換素子２８は、光入射面と平行になるように分極反転領域が形成されている。
図７に示すように、波長変換素子２８の片側の端面には高調波反射膜２９が付加されている。本実施の形態４では、高調波反射膜２９は、波長変換素子２８の入射面に配置されており、高調波を反射する。高調波反射膜２９は、基本波に対しては無反射となるように設計されている。波長変換素子２８は、光共振器２内に所定の角度で傾けて挿入される。
すなわち、波長変換素子２８の光入射面は、基本波の光軸に垂直な面に対して所定の角度で傾いている。波長変換素子２８の光入射面の基本波の光軸に垂直な面に対する傾斜角度は、０．５°〜１０°程度である。傾斜角度を０．５°より小さくした場合、発生する高調波による基本波の逆変換が起こりやすく、基本波及び高調波の出力低下が発生しやすくなる。一方、傾斜角度を１０°より大きくした場合、波長変換素子の波長変換効率の低下により高調波出力の低下が大きくなる。
したがって、波長変換素子２８の光入射面の基本波２０の光軸に垂直な面に対する傾斜角が０．５〜１０°の範囲内である場合、高調波の出力を低下させることなく、高調波の出力を安定させることができる。
図７のように、入射面及び出射面のいずれか一方の面に高調波反射膜２９の付いた波長変換素子を光共振器２内に斜めに挿入することで、図７中の左から右に進む基本波２０により発生する高調波３１と、図７中の右から左に進む基本波２０により発生する高調波３０とが別光路を通るため、出力変動への影響が低減される。すなわち、高調波３０は、図７中の右から左に進む基本波２０により発生するが、高調波反射膜２９によって反射されるため、基本波２０とは違う光路を進むこととなる。
このように、波長変換素子２８の入射面及び出射面のうちのいずれか一方の面に高調波を反射する高調波反射膜２９が形成されており、波長変換素子２８は、基本波２０の光軸に対して所定の角度で傾いて配置されている。
したがって、高調波反射膜２９によって反射する高調波３０の光軸と基本波２０の光軸とが異なるので、高調波から逆変換された基本波と元の基本波とが干渉するのを防止し、高調波の出力を安定させることができる。
以上、本実施の形態４によれば、非常に簡単な構成で、部品数の増加なしに高調波の進行方向を変化させることが可能となる。また、発生する２つの高調波３０，３１の進行方向は略同一方向であるため、出力される高調波の利用が容易になることに加え、高効率で安定した高調波を出力することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態５では擬似位相整合型の波長変換素子の一方の面が他方の面と平行ではない状態に研磨（以下、ウェッジ化ともいう）し、高調波出力の安定化を実現する例について説明する。
図８は、本発明の実施の形態５にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。図８に示す固体レーザー装置１ｄは、半導体レーザー光源１０、ロッドレンズ１１、ＶＢＧ１２、ボールレンズ１３、光共振器２、凹面ミラー１７及び波長変換素子６２を備えている。実施の形態５の固体レーザー装置１ｄの基本構成は、実施の形態１の固体レーザー装置１ａと同様であるが、光共振器２内に挿入される波長変換素子６２の構造が異なっている。
図８に示すように、波長変換素子６２の片側の端面には高調波反射膜６３が付加されているとともに、波長変換素子６２の片面が斜めに研磨されている。本実施の形態５では、高調波反射膜６３は、波長変換素子６２の入射面に配置されており、高調波を反射する。また、波長変換素子６２の入射面が所定の角度で斜めに研磨されている。高調波反射膜６３は基本波に対しては無反射となるように設計されている。波長変換素子６２は、光出射面と平行となるように分極反転領域が形成されている。
図８のように波長変換素子６２の入射面をウェッジ化することで、図８中の右から左へ進む基本波２０によって発生した高調波６５は斜めに研磨された入射面に形成された高調波反射膜６３にて反射される。そのため、高調波反射膜６３を反射した高調波６５は、基本波２０とは異なる光路を通過し、出射される。高調波６５は、図８中の左から右に進む基本波２０によって発生した高調波６４とは別の光路を通過する。波長変換素子６２の入射面がウェッジ化されているため、波長変換素子６２の挿入角度を調整すること無く、自動的に２つの高調波ビームが生成される。
また、通常、光共振器２内に波長変換素子を配置する場合、波長変換素子は、図８中の素子固定部６６のような平坦な面に配置される。本実施の形態５のような入射面がウェッジ化された波長変換素子６２を用いる場合、素子固定部６６の平坦な面に載置するだけで出力の安定化が可能となる。
また、波長変換素子６２の入射面がウェッジ化されているため、平行平板を挿入したときに観測されやすい光共振器２内での基本波及び高調波の干渉による出力変動が抑制できる。光共振器２内での干渉を防止するには、波長変換素子６２の入射面の基本波２０の光軸に垂直な面に対する傾斜角度は０．４°〜２°程度がよい。傾斜角度が０．４°未満である場合、干渉が発生しやすくなる。一方、傾斜角度が２°より大きい場合、変換効率が低下しやすくなる。すなわち、高調波出力が低下しやすくなる。
このように、波長変換素子６２の一方の面の基本波２０の光軸に垂直な面に対する研磨角が０．４〜２°の範囲内である場合、高調波の出力を低下させることなく、高調波の出力を安定させることができる。
なお、本実施の形態５では、ウェッジ化してある面は高調波反射膜６３が形成されている入射面であるが、本発明は特にこれに限定されない。入射面とは反対側の出射面が斜めに研磨された波長変換素子を光共振器２内に配置してもよい。また、入射面及び出射面の両面を斜めに研磨し、断面形状を台形形状にしても良い。
また、波長変換素子６２は、基板材料のＺ軸（分極反転領域の深さ方向）に対して斜めに研磨されるのがよい。Ｚ軸以外の方向に対して斜めに研磨しても上記と同様の効果が得られるが、量産性を考えると図８のような、Ｚ軸方向に対して斜めに研磨する構造がよい。
また、波長変換素子６２はウェハーを切断してバー状にしてから端面を研磨し、バーを切断して作製されるので、図８に示す波長変換素子６２のＺ軸方向とは異なる方向に斜めに研磨すると波長変換素子の長さが異なってしまうことになる。Ｚ軸に対して斜めに研磨すると同一形状の波長変換素子がバーから切り出せる。
このように、波長変換素子６２の入射面及び出射面のうちのいずれか一方の面が他方の面と平行ではない状態に研磨され、一方の面に高調波を反射する高調波反射膜６３が形成されている。
したがって、高調波反射膜６３によって反射する高調波６５の光軸と基本波２０の光軸とが異なるので、高調波から逆変換された基本波と元の基本波とが干渉するのを防止し、高調波の出力を安定させることができる。
以上、本実施の形態５により、波長変換素子６２を光共振器２内に挿入するだけで高調波の分離が可能となり、高調波出力の安定化が実現されるだけでなく、光共振器２内での基本波の干渉が防止できるため、制御の容易な固体レーザー装置１ｄが実現される。
（実施の形態６）
本実施の形態６では、複数の異なる周期を持つ分極反転領域が形成され、入射面及び出射面のうちの一方の面が斜めに研磨された波長変換素子を光共振器内に挿入する例について説明する。
図９は、本発明の実施の形態６にかかる固体レーザー装置で用いられる波長変換素子６７の構成を示す図である。本実施の形態６で用いる波長変換素子６７は、実施の形態５と同様に入射面及び出射面のうちの一方の面が斜めに研磨され、斜めに研磨された面には高調波反射膜６８が形成されている。図９に示すように、波長変換素子６７には、第１の分極反転領域６９と、第１の分極反転領域６９とは異なる周期で形成された第２の分極反転領域７０とが作製されている。
図１０は、複数の異なる周期の分極反転領域を有する波長変換素子の温度特性を示す図である。図１０において、横軸は温度を表し、縦軸は高調波出力を表す。第１の分極反転領域６９における高調波出力の温度特性４６及び第２の分極反転領域７０における高調波出力の温度特性４７は、図１０のようになっている。第１の分極反転領域６９及び第２の分極反転領域７０は、それぞれ異なる温度で変換効率が最大になるように作製されている。
本実施の形態６において、第１の分極反転領域６９は１５℃で変換効率が最大となるように設計され、第２の分極反転領域７０は５０℃で変換効率が最大となるように設計されている。第１の分極反転領域６９における高調波出力の温度特性４６と第２の分極反転領域７０における高調波出力の温度特性４７とを合わせた温度特性４８は、広い温度範囲で出力変動を小さくすることが可能となる。本実施の形態６の波長変換素子６７を用いれば、光源温度が１５℃から５０℃の範囲で出力変動が抑制されるため、出力を安定化するための制御が容易となる。
このように、波長変換素子６７には複数の異なる周期の分極反転領域（第１の分極反転領域６９及び第２の分極反転領域７０）が形成されているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
本実施の形態６で用いた複数の異なる周期の分極反転領域を有する波長変換素子６７は、実施の形態２で述べたように光共振器２内に挿入されることで、ワンパス方式又は導波路方式等の他の方式で波長変換する場合に比べ、より効果が大きくなる。
さらに、本実施の形態６のように、複数の異なる周期の分極反転領域が形成される場合、単一周期の分極反転領域で温度幅を広げる場合に比べて変換効率を高くすることができる。図１０に示す温度特性４９は、単一周期の分極反転領域で温度範囲を広げる場合の高調波出力の温度変化を表している。図１０に示すように、単一周期の分極反転領域で温度範囲を広げる場合、波長変換素子の長さを短くする必要があるので変換効率は低下する。周期の異なる複数の分極反転領域が形成され、変換効率が高くなることで、波長変換素子６７に付加される高調波反射膜６８の特性ばらつきを許容することが可能となる。また、変換効率の向上により、固体レーザー装置の電気−光変換効率が向上するので、発熱量の低減につながり、固体レーザー装置を搭載する装置の放熱が容易になる。
なお、本実施の形態６では２つの異なる周期構造を有する分極反転領域を用いているが、３つ以上の異なる周期の分極反転領域に分けた場合や、分極反転領域の周期を連続的に変化させた場合でも上記と同様の効果が得られる。
以上、本実施の形態６により、広い温度範囲での出力変動が抑制できるため、ペルチエ素子などを用いて高精度な温度制御をしなくても高調波出力の安定化を実現することができ、低コスト化及び省電力化に有効である。
（実施の形態７）
本実施の形態７では、高調波反射膜の形成された複数の波長変換素子を光共振器内に斜めに挿入する例について説明する。
図１１は、本発明の実施の形態７にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。図１１に示す固体レーザー装置１ｅは、半導体レーザー光源１０、ロッドレンズ１１、ＶＢＧ１２、ボールレンズ１３、光共振器２、凹面ミラー１７及び波長変換素子２８，３２を備えている。
本実施の形態７では、図１１に示すように、光共振器２内に高調波反射膜の形成された波長変換素子２８，３２が挿入されている。光共振器２内に２つの波長変換素子２８，３２が挿入されることで、出力される高調波のビーム数は４本となる。すなわち、４つの高調波３０，３１，３３，３４が固体レーザー装置１ｅから出力される。高調波の数が増加すると均一化光学系での光強度の均一化が容易となる。加えて、本固体レーザー装置１ｅを液晶ディスプレイのバックライトに使用する場合、固体レーザー装置１ｅから出射する高調波ビームが複数存在するので、導光板での光の均一化が容易になる。
また、波長変換素子２８と波長変換素子３２とで分極反転周期を異ならせることによって、より幅広い温度範囲での出力変動を抑制できる。この理由については実施の形態２と同じである。本実施の形態７の構成により、高調波の強度均一化が容易になることに加え、幅広い温度範囲での高調波の出力変動を抑制できる。
以上、本実施の形態７によれば、複数の波長変換素子２８，３２の分極反転周期がそれぞれ異なっているので、高調波の出力安定化を実現しながら、使用可能な温度範囲を拡大することができる。さらに、複数の波長変換素子２８，３２が光共振器２内に挿入されているので、出射される高調波のビーム数が増加し、出射されるビームの光量を容易に均一化することができる。その結果、本固体レーザー装置１ｅを液晶ディスプレイのバックライトに用いることができる。
なお、本実施の形態７では、図７に示す波長変換素子２８を２つ光軸方向に並べて配置しているが、本発明は特にこれに限定されず、図８に示す波長変換素子６２を２つ光軸方向に並べて配置してもよい。
（実施の形態８）
本実施の形態８では、波長変換素子の入射面及び出射面の両面に高調波反射膜を形成し、複数の高調波を発生させて出力の安定化を実現する例について説明する。
図１２は、本発明の実施の形態８にかかる固体レーザー装置の構成を示す図である。図１２に示す固体レーザー装置１ｆは、半導体レーザー光源１０、ロッドレンズ１１、ＶＢＧ１２、ボールレンズ１３、光共振器２、凹面ミラー１７及び波長変換素子３５を備えている。実施の形態８の固体レーザー装置１ｆの基本的な構成は、前述の実施の形態１の固体レーザー装置１ａと同様であるが、波長変換素子３５の形状が異なっている。
本実施の形態８で用いられる波長変換素子３５の断面形状は三角形である。波長変換素子３５の入射面及び出射面の研磨角は４５°としている。そして、波長変換素子３５の基本波２０の入射面及び出射面には、基本波に対しては無反射で、高調波に対しては高反射となる高調波反射膜３６が付加されている。図１２中の左から右へ進む基本波２０により発生する高調波３８は高調波反射膜３６により反射されて波長変換素子３５より出力される。同様に、図１２中の右から左へ進む基本波２０により発生する高調波３７も高調波反射膜３６により反射され、波長変換素子３５より出力される。
波長変換素子３５の断面形状は三角形以外でもよく、台形などでも同様の効果が得られるのは自明である。
このように、波長変換素子３５の断面形状は三角形又は台形であり、波長変換素子３５の入射面及び出射面に形成された高調波反射膜３６によって、高調波が反射される。したがって、発生した高調波は基本波に逆変換されることがなくなるため、高調波出力の安定化が実現される。また、出力される複数の高調波３７，３８を平行にすることができる。また、発生した高調波３７，３８は同一方向に平行に出力されるため、本固体レーザー装置１ｆが別の装置に搭載される場合、高調波の光学的な扱いを容易にすることができる。
また、波長変換素子内の分極反転領域を複数の異なる周期にしておけば上述の実施の形態と同様に使用可能な温度範囲が広がる。
（実施の形態９）
本実施の形態９では、複数の異なる周期を持つ分極反転領域が形成され、入射面及び出射面の両面が斜めに研磨された波長変換素子を光共振器内に挿入する例について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態９にかかる固体レーザー装置で用いられる波長変換素子７１の構成を示す図である。本実施の形態９で用いる波長変換素子７１は、実施の形態８と同様に入射面及び出射面の両面が斜めに研磨され、斜めに研磨された両面には高調波反射膜７２が形成されている。図１３に示すように、波長変換素子７１には、第１の分極反転領域７３と、第１の分極反転領域７３とは異なる周期で形成された第２の分極反転領域７４とが作製されている。
第１の分極反転領域７３及び第２の分極反転領域７４は、それぞれ異なる温度で変換効率が最大になるように作製されている。本実施の形態９において、第１の分極反転領域７３は１５℃で変換効率が最大となるように設計され、第２の分極反転領域７４は５０℃で変換効率が最大となるように設計されている。第１の分極反転領域７３における高調波出力の温度特性と第２の分極反転領域７４における高調波出力の温度特性とを合わせた温度特性は、広い温度範囲で出力変動を小さくすることが可能となる。本実施の形態９の波長変換素子７１を用いれば、光源温度が１５℃から５０℃の範囲で出力変動が抑制されるため、出力を安定化するための制御が容易となる。
このように、波長変換素子７１には複数の異なる周期の分極反転領域（第１の分極反転領域７３及び第２の分極反転領域７４）が形成されているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
本実施の形態９で用いた複数の異なる周期の分極反転領域を有する波長変換素子７１は、実施の形態２で述べたように光共振器２内に挿入されることで、ワンパス方式又は導波路方式等の他の方式で波長変換する場合に比べ、より効果が大きくなる。
さらに、本実施の形態９のように、複数の異なる周期の分極反転領域が形成される場合、単一周期の分極反転領域で温度幅を広げる場合に比べて変換効率を高くすることができる。単一周期の分極反転領域で温度範囲を広げる場合、波長変換素子の長さを短くする必要があるので変換効率は低下する。周期の異なる複数の分極反転領域が形成され、変換効率が高くなることで、波長変換素子７１に付加される高調波反射膜７２の特性ばらつきを許容することが可能となる。また、変換効率の向上により、固体レーザー装置の電気−光変換効率が向上するので、発熱量の低減につながり、固体レーザー装置を搭載する装置の放熱が容易になる。
なお、本実施の形態９では２つの異なる周期構造を有する分極反転領域を用いているが、３つ以上の異なる周期の分極反転領域に分けた場合や、分極反転領域の周期を連続的に変化させた場合でも上記と同様の効果が得られる。
以上、本実施の形態９により、広い温度範囲での出力変動が抑制できるため、ペルチエ素子などを用いて高精度な温度制御をしなくても高調波出力の安定化を実現することができ、低コスト化及び省電力化に有効である。
（実施の形態１０）
本実施の形態１０では、実施の形態１〜９で述べた固体レーザー装置を画像表示装置へ採用するときに問題となるスペックルノイズを低減する例について説明する。波長変換する固体レーザー装置を用いた光源をレーザーディスプレイ装置に応用する際、高調波の波長幅が小さいため干渉が起こりやすくなる。その結果、表示される画像がギラギラと見えてしまうスペックルノイズが発生し、画質の低下を招く。
図１４は、本発明の実施の形態１０にかかる画像表示装置の概略構成を示す図である。画像表示装置５０は、赤色光源５１、青色光源５２、緑色光源としての固体レーザー装置５３、ダイクロイックミラー５４、均一化光学系５５、２次元空間変調デバイス５６、出射レンズ５７及び制御回路５８を備えている。
赤色光源５１及び青色光源５２は半導体レーザーで構成される。各色光源から出力されたレーザー光は、ダイクロイックミラー５４で反射された後、均一化光学系５５を透過する。均一化光学系５５によって均一化されたレーザー光は、２次元空間変調デバイス５６へ入射される。本実施の形態１０における２次元空間変調デバイス５６は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）で構成される。２次元空間変調デバイス５６へ入射したレーザー光は、映像信号に応じて反射され、出射レンズ５７から映像として出力される。制御回路５８は、赤色光源５１、青色光源５２及び固体レーザー装置５３の出力を制御する。
図１５は、本発明の実施の形態１０における画像表示装置内に設置した固体レーザー装置５３の構成を示す図である。図１５に示す固体レーザー装置５３は、半導体レーザー光源１０、ロッドレンズ１１、ＶＢＧ１２、ボールレンズ１３、光共振器２、凹面ミラー１７、波長変換素子１８及びλ／２板３９を備えている。図１５に示す固体レーザー装置５３の基本的な構成は、前述の実施の形態１の固体レーザー装置１ａと同一であるため、同じ符号を付与している。
実施の形態１０が実施の形態１と異なる点は、発生する２つの高調波２１，２２のうち、高調波２２の偏光方向をλ／２板３９で回転させている点である。出力される２つの高調波ビームのうち、一方の高調波ビームの偏光方向を回転させることで、スペックルノイズの低減が可能となる。一方の高調波ビームの偏光方向を回転させない場合に比べ、スペックルノイズはおよそ１／１．５に低減することができ、スペックルノイズにより発生する緑色光の強度ばらつきを低減することができた。
このように、λ／２板３９は、波長変換素子１８より出力される複数の高調波のうちの少なくとも１つの高調波の偏光方向を回転させる。したがって、偏光方向の異なるビームが固体レーザー装置５３より出力されるので、スペックルノイズを低減することができる。
本実施の形態１０の画像表示装置において、２次元空間変調デバイス５６は、ミラーを用いたＤＭＤで構成されている。これは、ミラーを用いることで偏光方向の回転をほぼ無視できるためである。ＤＭＤ以外でもＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いたデバイスであれば同等の効果が得られる。
ＭＥＭＳミラーなどを用いてレーザービームをスキャンする場合には、２つに分かれているビームを１つにしてから投影すればよい。実施の形態１〜９においても高調波が複数出力される構成について説明したが、出力される高調波のうちの少なくとも１つの偏光方向を回転させればスペックルノイズを低減させることができる。
本実施の形態１０によりスペックルノイズが低減できるため、高画質な画像表示装置が実現される。
なお、本実施の形態１０における固体レーザー装置５３は、実施の形態１の固体レーザ装置１ａにλ／２板３９を付加した構成であるが、本発明は特にこれに限定されず、実施の形態２〜９の固体レーザー装置にλ／２板３９を付加した構成であってもよい。この場合、λ／２板は、凹面ミラー１７又は波長変換素子３５から出力される複数の高調波のうちの少なくとも１つの高調波の偏光方向を回転させる。
このように、実施の形態１〜１０の固体レーザー装置を画像表示装置５０に適用することができ、高調波の出力を安定させることができ、部品点数の増加なしに複数の高調波を利用することができる。また、偏光方向の異なる複数のビームが固体レーザー装置５３より出力され、２次元空間変調デバイス５６によって反射されるので、スペックルノイズの少ない高画質の画像表示が可能となる。
（実施の形態１１）
本実施の形態１１では、固体レーザー装置と、２次元空間変調素子としての液晶パネルとが用いられる液晶ディスプレイ装置について説明する。固体レーザー装置は、液晶ディスプレイのバックライト用の光源に用いられる。
図１６及び図１７は、本発明の実施の形態１１にかかる画像表示装置８０の構成を示す図である。図１６は、本発明の実施の形態１１にかかる画像表示装置８０をバックライトユニット８１側から見た平面図であり、図１７は、図１６の１７−１７線における断面図である。
画像表示装置８０は、固体レーザー装置１ｂ、赤色光源９０、青色光源９１、ダイクロイックミラー９２、２次元空間変調素子の一例である液晶表示パネル８２及び液晶表示パネル８２を照射するためのバックライトユニット８１を備えている。バックライトユニット８１は、赤色光源９０、固体レーザー装置１ｂ（緑色光源）及び青色光源９１から出射した照明用レーザー光８３を液晶表示パネル８２の全面にわたり照射する。
液晶表示パネル８２は、透過型又は半透過型、例えばＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）アクティブマトリクス型液晶表示パネルからなり、表示領域には赤色画素部、緑色画素部及び青色画素部を１つの画素８４とする多数の画素が設けられており、ＴＦＴにより駆動される。そして、２枚のガラス基板８５，８６の間に液晶層８７が設けられている。液晶層８７は、ガラス基板８５，８６のいずれか一方に形成されている不図示のＴＦＴによって駆動される。また、ガラス基板８５，８６のそれぞれの面には偏光板８８，８９が設けられている。
以上のように、本実施の形態１１の液晶表示パネル８２は、従来から用いられている構成と同じであるので、これ以上の説明を省略する。
なお、図１６及び図１７に示す画像表示装置８０では、緑色光源に本実施の形態３の固体レーザー装置１ｂを用いており、図５に示すような４つのビームが出射される。そして、赤色光源９０と青色光源９１とは半導体レーザー光源が用いられるが、これらの半導体レーザー光源は複数のビームを出力するように構成され、固体レーザー装置１ｂと同様に４つのビームが出射される。なお、赤色光源９０及び青色光源９１を複数のビームにする方法としては、各色の半導体レーザーを複数個用いる方法、及びマルチストライプ構造にするなどの方法が採用可能である。
次に、画像表示装置８０に用いるバックライトユニット８１の構成について説明する。バックライトユニット８１は、液晶表示パネル８２の背面側に配置されている。バックライトユニット８１の形状は、液晶表示パネル８２の形状と概略同じである。バックライトユニット８１は、反射ミラー９３、マイクロレンズアレイ９４、変換部用導光板９５、光路変換部９６、端面入射型導光板９７、第１の導光板９８及び第２の導光板９９を備える。
赤色光源９０、青色光源９１及び固体レーザー装置１ｂからそれぞれ出射した赤色光、青色光及び緑色光は、ダイクロイックミラー９２により合波されて照明用レーザー光８３となり反射ミラー９３に入射する。反射ミラー９３により反射した照明用レーザー光８３は、マイクロレンズアレイ９４により拡げられて変換部用導光板９５に入射する。
変換部用導光板９５に入射した照明用レーザー光８３は、外周面で反射及び拡散して光路変換部９６に入射し、方向が変換されて端面入射型導光板９７の第１の導光板９８に入射する。そして、照明用レーザー光８３は、第１の導光板９８内で反射及び拡散して第２の導光板９９に入射する。照明用レーザー光８３は、さらに第２の導光板９９で拡散して、面全体として均一な輝度分布となる。その後、照明用レーザー光８３は、第２の導光板９９から出射して液晶表示パネル８２を照明する。これにより、液晶表示パネル８２が照明され、画像が表示される。
この場合、赤色光源９０、青色光源９１及び固体レーザー装置１ｂから出射する赤色光、青色光及び緑色光は、変換部用導光板９５の面に平行な方向にそれぞれ４つのビームを有している。したがって、照明用レーザー光８３を従来よりも簡単な光学系で拡げて変換部用導光板９５の全面にわたり入射させることが可能となり、容易に大画面の画像表示装置を実現できる。さらに、スペックルノイズも低減することができるので高画質の映像が表示できる。本実施の形態１１とは異なる構成を有するバックライトユニットにおいても、複数に分かれたビームを出射する固体レーザー装置がバックライトユニット内での光の均一化に有効であるのは自明である。
なお、本実施の形態１１における画像表示装置８０は、実施の形態３の固体レーザー装置１ｂを備えているが、本発明は特にこれに限定されず、実施の形態３の固体レーザー装置１ｂの替わりに、実施の形態１，２，４〜１０の固体レーザー装置を備えていてもよい。
なお、固体レーザー装置を画像表示装置用の光源に使用する例を実施の形態１０及び１１で説明したが、実施の形態１〜９の固体レーザー装置は、出力を安定させることができる、駆動温度範囲を広げることができる、高精度な温度制御が不要となる、スペックルノイズを低減することができるなどの多くのメリットを有している。そのため、実施の形態１〜９の固体レーザー装置は、上述の２つの実施の形態１０及び１１に示す画像表示装置用の光源に限定されず、色再現範囲の広いあらゆる形態の画像表示装置用の光源として有効である。
また、実施の形態１〜９の固体レーザー装置は、２次元空間変調デバイスに透過型の液晶パネル又は反射型の液晶パネルを用いた投射型の画像表示装置用の光源に用いた場合でも非常に効果が大きい。実施の形態１〜９の固体レーザー装置は、小型化することができ、出力を安定させることができ、駆動温度範囲を広げることができ、高精度な温度制御が不要であるため、ペルチエ素子などが不要である。よって、消費電力が大きく低減されるので低消費電力のモバイル型の画像表示装置も実現できる。
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
本発明の一局面に係る固体レーザー装置は、ポンプ用のレーザー光を出射する半導体レーザー光源と、前記レーザー光の入射により励起され、基本波を発振する固体レーザー結晶と、前記固体レーザー結晶を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーとから構成される光共振器と、前記基本波を高調波に変換する波長変換素子とを備え、前記光共振器内で発生した複数の高調波のうち、少なくとも１つの高調波の光軸を前記基本波の光軸と異ならせ、異ならせた少なくとも１つの高調波を他の高調波と略同一方向に出力するように、前記波長変換素子が前記光共振器の内部に配置されている。
この構成によれば、半導体レーザー光源は、ポンプ用のレーザー光を出射する。光共振器は、レーザー光の入射により励起され、基本波を発振する固体レーザー結晶と、固体レーザー結晶を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーとから構成される。波長変換素子は、基本波を高調波に変換する。そして、光共振器内で発生した複数の高調波のうち、少なくとも１つの高調波の光軸を基本波の光軸と異ならせ、異ならせた少なくとも１つの高調波を他の高調波と略同一方向に出力するように、波長変換素子が光共振器の内部に配置されている。
したがって、光共振器内で発生した複数の高調波のうちの少なくとも１つの高調波の光軸と基本波の光軸とが異なるので、高調波から逆変換された基本波と元の基本波とが干渉するのを防止し、高調波の出力を安定させることができる。また、少なくとも１つの高調波が他の高調波と略同一方向に出力されるので、部品点数の増加なしに複数の高調波を利用することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子の入射面及び出射面は斜めに研磨されており、前記波長変換素子は、前記光共振器内にブリュースター角で挿入されていることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子が光共振器内にブリュースター角で挿入されているので、光共振器内における光量損失を低下させることができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子には、複数の異なる周期の分極反転領域が形成されていることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子には複数の異なる周期の分極反転領域が形成されているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子は、複数の波長変換素子を含み、前記複数の波長変換素子が前記光共振器内に挿入されていることが好ましい。この構成によれば、複数の波長変換素子が光共振器内に挿入されているので、出射されるビームの数が増加し、出射されるビームの光量を容易に均一化することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記複数の波長変換素子の分極反転周期はそれぞれ異なっていることが好ましい。この構成によれば、複数の波長変換素子の分極反転周期がそれぞれ異なっているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子の研磨角は２５±５°であることが好ましい。この構成によれば、２５±５°の角度で波長変換素子が研磨されるので、分極反転領域の深さを浅くすることができ、分極反転領域を容易に形成することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子の入射面及び出射面のうちのいずれか一方の面に高調波を反射する反射膜が形成されており、前記波長変換素子の光入射面は、前記基本波の光軸に垂直な面に対して所定の角度で傾いていることが好ましい。
この構成によれば、反射膜によって反射する高調波の光軸と基本波の光軸とが異なるので、高調波から逆変換された基本波と元の基本波とが干渉するのを防止し、高調波の出力を安定させることができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子の光入射面の前記基本波の光軸に垂直な面に対する傾斜角は０．５〜１０°であることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子の光入射面の基本波の光軸に垂直な面に対する傾斜角が０．５〜１０°の範囲内である場合、高調波の出力を低下させることなく、高調波の出力を安定させることができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子の入射面及び出射面のうちのいずれか一方の面が他方の面と平行ではない状態に研磨され、前記一方の面に高調波を反射する反射膜が形成されていることが好ましい。
この構成によれば、反射膜によって反射する高調波の光軸と基本波の光軸とが異なるので、高調波から逆変換された基本波と元の基本波とが干渉するのを防止し、高調波の出力を安定させることができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子の前記一方の面の前記基本波の光軸に垂直な面に対する研磨角は０．４〜２°であることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子の一方の面の基本波の光軸に垂直な面に対する研磨角が０．４〜２°の範囲内である場合、高調波の出力を低下させることなく、高調波の出力を安定させることができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子には、複数の異なる周期の分極反転領域が形成されていることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子には複数の異なる周期の分極反転領域が形成されているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、複数の波長変換素子が前記光共振器内に挿入されていることが好ましい。この構成によれば、複数の波長変換素子が光共振器内に挿入されているので、出射される高調波のビームの数が増加し、出射されるビームの光量を容易に均一化することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記複数の波長変換素子の分極反転周期はそれぞれ異なっていることが好ましい。この構成によれば、複数の波長変換素子の分極反転周期がそれぞれ異なっているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子の断面形状は三角形又は台形であり、前記波長変換素子の入射面及び出射面に高調波を反射する反射膜が形成されていることが好ましい。
この構成によれば、波長変換素子の断面形状は三角形又は台形であり、波長変換素子の入射面及び出射面に形成された反射膜によって、高調波が反射されるので、出力される複数の高調波を平行にすることができ、高調波の光学的な扱いを容易にすることができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子には、複数の異なる周期の分極反転領域が形成されていることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子には複数の異なる周期の分極反転領域が形成されているので、使用可能な温度範囲を拡大することができる。
また、上記の固体レーザー装置において、前記波長変換素子より出力される複数の高調波のうちの少なくとも１つの高調波の偏光方向を回転させる波長板をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、偏光方向の異なる高調波が固体レーザー装置より出力されるので、スペックルノイズを低減することができる。
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、上記の固体レーザー装置と、前記固体レーザー装置からの出射光出力を変調する２次元空間変調デバイスとを備える。この構成によれば、上記の固体レーザー装置を画像表示装置に適用することができ、高調波の出力を安定させることができ、部品点数の増加なしに複数の高調波を利用することができる。
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、複数の高調波に偏光方向の異なるビームが含まれる固体レーザー装置と、前記固体レーザー装置からの出射光を変調する２次元空間変調デバイスとを備え、前記２次元空間変調デバイスは、前記出射光を反射させる。この構成によれば、偏光方向の異なる複数のビームが固体レーザー装置より出力され、２次元空間変調デバイスによって反射されるので、スペックルノイズの少ない高画質の画像表示が可能となる。
本発明にかかる固体レーザー装置及び画像表示装置は、高調波の出力を安定させることができるとともに、部品点数の増加なしに複数の高調波を利用することができ、固体レーザー結晶と波長変換素子とを用いた内部共振器型の固体レーザー装置及び当該固体レーザー装置を用いた画像表示装置に有用である。また、本発明にかかる固体レーザー装置は、色再現範囲の広い画像表示装置用の光源として非常に有用である。

Claims (10)

  1. ポンプ用のレーザー光を出射する半導体レーザー光源と、
    前記レーザー光の入射により励起され、基本波を発振する固体レーザー結晶と、前記固体レーザー結晶を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーとから構成される光共振器と、
    前記基本波を高調波に変換する波長変換素子とを備え、
    前記波長変換素子の少なくとも固体レーザー結晶側端面に高調波を反射する反射膜が形成されており、
    前記反射膜が形成された端面は、前記基本波の光軸に垂直な面に対して所定の角度で傾いており、
    前記光共振器内で発生した複数の高調波のうち、少なくとも前記固体レーザー結晶に向かう高調波の光軸を前記基本波の光軸と異ならせ、異ならせた前記高調波を他の高調波と略同一方向に出力するように、前記波長変換素子が前記光共振器の内部に配置されていることを特徴とする固体レーザー装置。
  2. 前記波長変換素子の前記反射膜が形成された端面の前記基本波の光軸に垂直な面に対する傾斜角は０．５〜１０°であることを特徴とする請求項１記載の固体レーザー装置。
  3. 前記波長変換素子の前記反射膜が形成された端面が、前記波長変換素子の他方の基本波が通過する端面と平行ではない状態に基板材料のＺ軸に対して斜めに研磨されていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザー装置。
  4. 前記波長変換素子の前記反射膜が形成された端面の前記基本波の光軸に垂直な面に対する研磨角は０．４〜２°であることを特徴とする請求項３記載の固体レーザー装置。
  5. 前記波長変換素子には、複数の異なる周期の分極反転領域が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体レーザー装置。
  6. 複数の波長変換素子が前記光共振器内に挿入されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体レーザー装置。
  7. 前記複数の波長変換素子の分極反転周期はそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項６記載の固体レーザー装置。
  8. 前記波長変換素子の断面形状は三角形又は台形であり、前記波長変換素子の入射面及び出射面に高調波を反射する反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザー装置。
  9. 前記波長変換素子には、複数の異なる周期の分極反転領域が形成されていることを特徴とする請求項８記載の固体レーザー装置。
  10. 請求項１〜９のいずれかに記載の固体レーザー装置と、
    前記固体レーザー装置からの出射光を変調する２次元空間変調デバイスとを備えることを特徴とする画像表示装置。
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