JP5180086B2 - 波長変換装置および画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせて安定な可視光高出力レーザを得る波長変換装置、および、この波長変換装置を光源として用いた画像表示装置に関する。

単色性が強くＷ級の高出力が出力できる可視光光源は、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、半導体レーザ等での実現が難しく、生産性の高い小型の光源が求められている。とりわけ、緑色の出力光を得ることは、半導体レーザとして構成できる適当な材料がないこともあり、緑色の光源を実現する上での難易度は高い。

このような光源として、ファイバレーザ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光源として実現されている。ファイバレーザを励起する励起光の光源として半導体レーザを用い、波長変換素子として非線形光学結晶を用いた緑色や青色の小型の光源はよく知られている。

しかしながら、このような波長変換装置からＷ級の高出力の緑色や青色の出力光を得るためには、いくつかの課題を解決することが必要である。図３１に従来の波長変換装置の概略構成を示す。この構成で、例えば、緑色の出力光を得る場合について説明する。図３１に示す波長変換装置は、基本波を出力するファイバレーザ２０と、基本波を緑色のレーザ光に変換する波長変換素子２７とから構成されている。

さらに、ファイバレーザ２０の基本のレーザ動作について説明する。まず、図３１で励起用レーザ光源２１からの励起光がファイバの一端から入射する。入射した励起光はＹｂファイバ１４に含まれるレーザ活性物質で吸収された後、ファイバ１４の内部で基本波の種光が発生する。この基本波の種光は、ファイバグレーティング２２と、ファイバグレーティング２５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、種光はファイバ１４に含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大し波長選択もされてレーザ発振に到る。なお、レーザ光源２１は励起用レーザ電流源３１により電流駆動される。

次に、図３１の波長変換装置の基本動作について説明する。上記のようにして基本波はファイバレーザ２０により出力され、基本波はレンズ２６を介して波長変換素子２７に入射する。ファイバレーザ２０からの基本波は波長変換素子２７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２８で一部反射されるが、透過した高調波は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２８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２９で受光された後、電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度が波長変換装置で所望の出力が得られる強度になるように、出力コントローラー３０は励起用レーザ電流源３１でレーザ光源２１の駆動電流を調整する。そうするとレーザ光源２１からの励起光の強度が調整され、ファイバレーザ２０の基本波の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置の出力の強度が調整される。このことにより波長変換装置の出力の強度は一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作することとなる。

このように、レーザからの光出力を一定にするためにレーザ光源からの出力をモニターし、レーザを駆動する電流値へフィードバックする方法や、レーザを保持する部分の温度を一定に保つ方法などは、光記録分野で重要な技術であったため、従来から様々な方法が提案されており、例えば特許文献１にはレーザダイオードに印加される電流値から半導体チップ部分の温度上昇を予測し、温度調節をする方法が提案されている。この他にも、様々な方法が提案されており、特許文献２にはフィードバック制御で光量を制御する際に印加する電流値に上限を設け、レーザダイオードを保護する方法が提案されている。

また、特許文献３にはレーザダイオードを空冷で使用する際にフォトダイオードを用いて電流フィードバックを行う代わりにレーザダイオードの温度をモニターすることにより印加する電流量を決定する方法が提案されている。特許文献４にはレーザダイオードの動作開始と共に温調を開始する場合、検出したレーザダイオードの温度に合わせて初期駆動電流を小さくすることによりレーザダイオードの破壊を防止する方法が提案されている。特許文献５にはレーザの温度調節を行う際に用いる温度検出器を用いてレーザダイオードの温度をモニターすることにより印加する電流量を決定する方法が提案されている。さらに、レーザダイオードと波長変換素子とを組合せた場合の出力安定化方法について特許文献６〜特許文献８に記述されているような構成が提案されている。ここに挙げた特許文献以外にもレーザダイオードの温調に関しては様々な方法が提案されている。
特開平１−９８２８２号公報 特開平２−２５３９６９号公報 特開２００４−１０３９５４号公報 特開２００４−３５６５７９号公報 特開２００５−３１１１３３号公報 特許第３３２９４４６号公報 特許第３３３４７８７号公報 特許第３５２６２８２号公報

しかしながら、上記従来の波長変換装置では、環境温度の変動に対し、緑色光を安定して得ることが困難であり、特に、上記従来の波長変換装置をプロジェクションディスプレイや液晶ディスプレイのバックライト等の民生機器の内部に配置した場合、筐体内の温度が徐々に上昇して緑出力が低下するという課題があった。一方、このような課題に対して、波長変換素子の温度を一定値に制御する方法、出力値をＬＤ電流へフィードバックする方法などが従来から提案されているが、波長変換素子の温度を制御する方法では波長変換素子の温度は０．０１℃単位で制御される必要があり、民生機器ではコスト面などの問題で使用が難しく、ＬＤ電流へフィードバックする方法も温度変化にして０．３℃程度しか補償できず、効果的な改善方法ではなかった。特に、ファイバグレーティングで波長選択されたファイバレーザ光源を使用する際、波長変換素子の波長特性が温度によって変化する上、さらに、ファイバグレーティングの波長特性も温度によって変化するため、従来の温度一定値制御を行ったとしても出力を安定化することができなかった。

また、波長変換前の基本波のレーザ光源から第２高調波である緑色光の出力への変換効率を向上させるために、波長変換機構を２つ設け、１つ目の波長変換機構（１段目）で変換されなかった基本波を２つ目の波長変換機構（２段目）で再度波長変換させる波長変換装置（このような構成を便宜的に「２段構成」と呼ぶ）が提案されている。この２段構成は、１段目の第２高調波出力に依存して２段目の第２高調波出力も変動するという特性を持っており、従来の出力安定化方法で１段目および２段目の出力の合算値を制御することは困難であった。特に、２段構成におけるほとんどの場合、１段目の高調波出力と２段目の高調波出力の出力変動が反対の動きをするため、レーザダイオードへの電流値フィードバックや通常の素子温調を用いて制御することが極めて困難であった。

本発明の目的は、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置を提供することにある。

本発明の一局面に従う波長変換装置は、レーザ光源から出射される励起光を発振させて、基本波を出射するレーザ共振器と、前記レーザ共振器から出射される基本波を高調波に変換する第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子の温度を制御する第１の温度制御素子と、前記第１の波長変換素子に入射される基本波のうちで前記第１の波長変換素子により高調波に変換されないで前記第１の波長変換素子から出射される基本波を高調波に変換する第２の波長変換素子と、前記第２の波長変換素子の温度を制御する第２の温度制御素子と、前記第１の波長変換素子から出射される高調波の出力を検出する第１の検出部と、前記第２の波長変換素子から出射される高調波の出力を検出する第２の検出部と、前記第１の温度制御素子による前記第１の波長変換素子の温度制御、前記第２の温度制御素子による前記第２の波長変換素子の温度制御、および、前記レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値制御を管理するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記第１の検出部による第１の検出値と前記第２の検出部による第２の検出値とを合算し、当該合算値を基にして前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行う。

上記の波長変換装置では、第１の検出部による第１の検出値と第２の検出部による第２の検出値との合算値を基にして第１および第２の波長変換素子の温度制御が行われるので、第１の波長変換素子からの高調波の出力変動に依存して第２の波長変換素子からの高調波の出力変動が生じる場合であっても、２つの高調波の合算値の出力変動を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態にかかる波長変換装置および画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置を用いた２次元画像表示装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる２次元画像表示装置１０は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに適用された例である。本実施の形態にかかる２次元画像表示装置１０は、画像処理部１０２と、レーザ出力コントローラ（コントローラ）１０３と、ＬＤ電源１０４と、赤色レーザ光源１０５Ｒと、緑色レーザ光源１０５Ｇと、青色レーザ光源１０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ１０６Ｒ、１０６Ｇおよび１０６Ｂと、リレーレンズ１０７Ｒ、１０７Ｇおよび１０７Ｂと、折り返しミラー１０８Ｇおよび１０８Ｂと、２次元変調素子１０９Ｒ、１０９Ｇおよび１０９Ｂと、偏光子１１０Ｒ、１１０Ｇおよび１１０Ｂと、合波プリズム１１１と、投影レンズ１１２と、を備えている。

本実施の形態にかかる波長変換装置は、図１において、２次元画像表示装置１０の緑色レーザ光源１０５Ｇに適用されている。図２に緑色レーザ光源１０５Ｇの構成を示す。

緑色レーザ光源１０５Ｇは、図２において、ファイバレーザ２０１と、ファイバレーザ２０１から発せられた基本波レーザ光の波長を１／２にする波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂと、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を制御するペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂと、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂで発生した緑色光と残存する基本波とを分離するビームスプリッタ２０８ａおよび２０８ｂと、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂで発生した緑色光をモニターするためのビームサンプラー２０９ａおよび２０９ｂと、フォトダイオード２１０ａおよび２１０ｂと、を有している。ファイバレーザ２０１は、励起用ＬＤ２０２と、ファイバグレーティング２０４ａおよび２０４ｂと、Ｙｂファイバ２０３と、ファイバグレーティング２０４ｂを保持する保持部２０６と、から構成されており、さらに、励起用ＬＤ２０２は、ＬＤ電源１０４に接続される一方、ペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂ、ならびに、フォトダイオード２１０ａおよび２１０ｂは、緑色光源１０５Ｇの出力をコントロールするコントローラ１０３に接続されている。

ファイバレーザ２０１は、励起用ＬＤ２０２から発せられた励起光（波長９１５ｎｍ）によりＹｂファイバ２０３を励起する。Ｙｂファイバ２０３の両端にはファイバグレーティング２０４ａおよび２０４ｂが配置されており、ファイバグレーティング２０４ａおよび２０４ｂとの間でレーザ共振器を構成している。ファイバグレーティング２０４ａは、反射中心波長１０７０ｎｍ、反射帯域１ｎｍ、反射率９８％以上であり、ファイバグレーティング２０４ｂは、反射中心波長１０６９．９ｎｍ、反射帯域０．１ｎｍ、反射率１０％となっている。なお、Ｙｂ添加ファイバを使用したファイバレーザは、Ｎｄファイバ等と比較して動作範囲が広いため１０３０〜１１５０ｎｍの範囲のレーザ光を発生させることができる。このため、２次元画像表示装置として使用した場合、大きな色再現範囲を確保することにより高画質化が可能となる。

ファイバレーザ２０１のレーザ共振器の一方の反射面として狭帯域のファイバグレーティング２０４ｂを適用することで、任意の反射中心波長を選択することが可能となり発振中心波長を任意に選択できる上、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂが要求する波長帯域０．０５〜０．２ｎｍの基本波を発生することができる。

本実施の形態において、ファイバグレーティング２０４ａおよび２０４ｂとして偏波保持ファイバに形成したファイバグレーティングを使用し、Ｙｂファイバ２０３も偏波保持ダブルクラッドファイバを使用するのが好ましい。この場合、発振した基本波の偏波方向を制御することが可能となる。

また、本実施の形態において、ファイバレーザ２０１のレーザ共振器をファイバ内に閉じた系とすることにより、外部からの塵あるいは反射面のミスアライメント等で共振器の損失が増加することを防止し、それにより、レーザ共振器の出力の経時低下および出力変動を抑制することができる。

次に、本実施の形態の緑色レーザ光源１０５Ｇの基本のレーザ動作について説明する。図２でピッグテイル型の励起用ＬＤ２０２からの励起光は付属したファイバ中を伝搬した後、レーザ共振器を構成するファイバに入射する。入射した励起光はＹｂファイバ２０３に含まれるレーザ活性物質（Ｙｂ：イッテルビウム）で吸収されつつ、Ｙｂファイバ２０３中を伝搬する。励起光の９０％以上は、ファイバグレーティング２０４ｂに到達するまでにレーザ活性物質に吸収されて消失する。このように本実施の形態では、励起光がＹｂファイバ２０３の中で吸収され、Ｙｂファイバ２０３内で基本波を増幅するゲインが高くなった状態で、基本波の種光がＹｂファイバ２０３の内部で発生する。この基本波の種光は、ファイバグレーティング２０４ａとファイバグレーティング２０４ｂとをレーザ共振器の一組の反射面として、このレーザ共振器の中を増幅されて強度を増しつつ何度も反射して往復しレーザ発振に至る。

本実施の形態のＹｂファイバ２０３は、例えば、高出力の励起光を伝搬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用した。したがって、励起光はＹｂファイバ２０３のコアと内側のクラッドの比較的広い領域を伝搬して、Ｙｂファイバ２０３に含まれるレーザ活性物質（イッテルビウム）により吸収される。また、励起光は広い領域を伝搬することができるので、高出力の励起光を用いることもできる。

このようにしてファイバレーザ２０１から出力される基本波は、波長変換素子２０５ａに導かれる。

次に、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの基本動作について説明する。上記のようにして、ファイバレーザ２０１により基本波のレーザ光が出力され、集光レンズ等で集光されて波長変換素子２０５ａに入射する。ファイバレーザ２０１からの基本波が入射波となり波長変換素子２０５ａの非線形光学効果により変換され、波長が基本波の１／２の高調波出力となる。波長変換素子２０５ａから出射したビームは、未変換の基本波と変換された高調波出力とが混ざった状態で出力されている。

波長変換素子２０５ａから出射されたビームは、一度、再コリメートレンズを通過し、再び平行ビームに戻った後、ビームスプリッタ２０８ａに入射する。波長変換素子２０５ａで変換された高調波出力は、ビームスプリッタ２０８ａで分離されてビームサンプラー２０９ａに向う一方、波長変換されなかった基本波は、そのままビームスプリッタ２０８ａを透過し、集光レンズを用いて集光させた後、波長変換素子２０５ｂに入射される。

波長変換素子２０５ａで変換されなかった基本波が入射波となり波長変換素子２０５ｂの非線形光学効果により変換されると、波長が基本波の１／２の高調波出力となる。波長変換素子２０５ｂから出射したビームは、未変換の基本波と変換された高調波出力とが混ざった状態で出力されている。

波長変換素子２０５ｂから出射されたビームは、一度、再コリメートレンズを通過し、再び平行ビームに戻った後、ビームスプリッタ２０８ｂに入射する。波長変換素子２０５ｂで変換された高調波出力は、ビームスプリッタ２０８ｂで分離されてビームサンプラー２０９ｂに向う一方、波長変換されなかった基本波は、そのままビームスプリッタ２０８ｂを透過する。透過した基本波は、吸収体で吸収させ、熱として放出する。出力光検出に用いる以外の高調波出力のほとんど全てが緑色レーザ光源１０５Ｇの出力光となって出射される。本実施の形態では、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂとして、分極反転構造を有するＭｇ添加ＬｉＮｂＯ_３結晶を使用している。素子の長さは２０ｍｍで、それぞれペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂで温度制御されている。

図３Ａに、ファイバレーザ２０１の環境温度に対する発振波長の関係を示す。ファイバレーザ２０１の環境温度により共振器を構成しているファイバグレーティングの反射波長がシフトすることによりファイバレーザ２０１の発振波長が変化することがわかる。図３Ａでは、変化量は０．００７ｎｍ／Ｋである。つまり、環境温度が変化するごとに波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの動作波長（位相整合波長）を変化させなければ高調波出力（緑色光出力）を安定化することはできない。このことは、環境温度にかかわらず、レーザ結晶により発振波長が決定される固体レーザ光源と大きく異なるところである。本実施の形態においては、ファイバレーザ２０１の発振波長の変化量が０．００２ｎｍ／Ｋ以下であることが好ましい。上述したように、環境温度が変化するごとに波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの位相整合波長を変化させなければならないが、ファイバレーザ２０１の発振波長の変化量が０．００２ｎｍ／Ｋ以下であれば、後述する波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの位相整合波長の制御を効率よく行うことができる。

図３Ｂに、ファイバレーザの基本波波長と波長変換素子の位相整合波長との関係を示す。図中の実線はファイバレーザから発せられる基本波の帯域幅を示しており、図中の破線は波長変換素子の入射波長に対する波長変換特性を示している。図３Ｂから明らかなように、ファイバレーザおよび波長変換素子の双方が同じ波長特性を持つように双方の環境温度を変化させることが、波長変換素子からの出力の安定化に必要であることが分かる。例えば、図２の保持部２０６をアルミニウムを用いて構成することにより、ファイバレーザ２０１の温度に対する発振波長変化量は０．０３ｎｍ／Ｋとなり、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの位相整合波長変化量０．０５ｎｍ／Ｋに近づけることができる。また、保持部２０６を５×１０−６／℃の熱膨張係数を持つ物質を用いて構成することにより、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度特性とファイバレーザ２０１の温度特性とをほぼ一致させることができ、出力安定化制御をより簡便にすることができる。本実施の形態において、ファイバグレーティング２０４ｂは、アルミニウムからなる保持部２０６上に固定した場合を示しているが、従来のように空気中に配置する場合においても同様の効果が得られるものである。

図４に、図２のコントローラ１０３の具体的な構成を示す。図４のコントローラ１０３は、Ａ／Ｄコンバータ４０１と、判定回路４０２と、Ｄ／Ａコンバータ４０３と、ＰＷＭ信号発生器４０４と、電流‐出力値テーブル４０５と、第１のレジスタ４０６と、第２のレジスタ４０７と、を有している。コントローラ１０３は、ペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂを用いて、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を制御する。なお、この他、必ずしも必要でないがファイバレーザ２０１筐体内の温度を測定するサーミスタ４０９を設けてもよい。ここでは、サーミスタ４０９は、ファイバグレーティング２０４ｂの保持部２０６に設けられている。

電流‐出力値テーブル４０５には、励起用ＬＤ２０２に供給される電流値と緑色光の出力値との関係をテーブル形式で設定しておくことができ、これらの値が制御を行う際の基準値となる。第１のレジスタ４０６は、制御時に使用される電流値及び出力値を一時的に記憶するために用いられる。

緑色レーザ光源１０５Ｇが出力すべき緑色光の出力値は、外部信号である光量制御信号に応じて決定される。第２のレジスタ４０７には、緑色レーザ光源１０５Ｇの各部品ごとに、各部品の出荷時設定値が記憶されている。各部品ごとの出荷時設定値は、各部品の製造上のばらつきを補償するために用いられる値であり、第２のレジスタ４０７は、光量制御信号を受け、光量制御信号および出荷時設定値によって設定される緑色光の出力値を判定回路４０２へ通知する。判定回路４０２は、マイクロコンピュータ等から構成され、電流‐出力値テーブル４０５を参照して、第２のレジスタから通知された出力値に対応する電流値をＤ／Ａ変換器４０３を介してＬＤ電源１０４へ通知する。

フォトダイオード２１０ａおよび２１０ｂは、ビームサンプラー２０９ａおよび２０９ｂにより一部反射された緑色光を受光し、受光した緑色光の大きさに応じた電圧信号である出力検出信号をＡ／Ｄ変換器４０１へ出力する。Ａ／Ｄ変換器４０１は、アナログ形式の出力検出信号をデジタル形式の出力検出信号へ変換して判定回路４０２へ出力する。判定回路４０２は、出力検出信号に応じてペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂを用いて、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を制御する。

次に、緑色光源１０５Ｇの動作について説明する。図５は、緑色レーザ光源１０５Ｇの波長変換素子２０５ａの立ち上げ動作の処理手順を示すフローチャートである。なお、波長変換素子２０５ｂの立ち上げ動作は波長変換素子２０５ａと同様であるので、ここでは、波長変換素子２０５ｂの立ち上げ動作についての説明は省略する。

まず、図５のステップＳ１０１おいて、緑色レーザ光源１０５Ｇの動作を開始すると、ＬＤ電源１０４からのＬＤ電流を励起用ＬＤ２０２に印加し、緑色光出力が可能な状態にする。ここで、ＬＤ電流の値は、基本波出力にして５００ｍＷ程度とし、位相整合条件が合致した際に、緑色光にして２０ｍＷ出力できる程度の電流値とした。本実施の形態の場合、１Ａ程度とした。その理由として、緑色光として微小な出力とすることにより、２次元画像表示装置とした場合に、立ち上げ用の緑色光を出力していることが目立たないためである。この際、波長変換素子２０５ａの位相整合温度を４０〜６０℃と室温よりも高く設計しておくことが重要である。

次に、ステップＳ１０２において、緑色光の出力値が設定値となるまで、ペルチェ素子２０７ａはＰＷＭ波形の電流で駆動されているため、判定回路４０２は、ペルチェ素子２０７ａへ電流を供給する時間を増やして素子温度を上げながら緑色光の出力値をモニターする。具体的には、ステップＳ１０３において、緑色光の出力値が設定値よりも低い間では、ペルチェ素子２０７ａへ電流を供給する時間を増加させる。

緑色光の出力値が設定値に達し、設定値を超えた場合には、ステップＳ１０４において、ペルチェ素子２０７ａへ電流を供給する時間を減少させて素子温度を下げながら緑色光の出力値をモニターする。具体的には、ステップＳ１０５において、緑色光の出力値が設定値よりも高い間では、ペルチェ素子２０７ａへ電流を供給する時間を減少させる。一方、緑色光の出力値が設定値に達し、設定値を下回った場合には、ステップＳ１０２へ戻る。

このようにして、緑色光出力のピークサーチを行う。また、ペルチェ素子２０７ａへ供給される電流波形（ＰＷＭ波形）は，緑色光の出力値が設定値に近づくにつれ、ＯＦＦ時間が長くなるように比例制御されている。また、電流波形の周波数は、出力安定化を勘案した結果、５〜１００ＭＨｚ程度が望ましく、このような周波数であれば電流波形を平滑化することなく温度を安定化することが可能であった。また、電流波形を平滑化した場合、ＯＮ時間が短くなるにつれ、応答速度が低速化するという問題点があったが、ＰＷＭ波形で直接駆動することにより応答速度を落とさずに温度制御できる。

このように、緑色光をモニターすることにより、波長変換素子２０５ａの温度を位相整合温度に適合させることが可能となっている。緑色光出力が安定したところで、緑色光出力が安定したときのＰＷＭ波形を維持したまま、励起用ＬＤ２０２の電流を遮断し、待機状態とする。

本実施の形態においては、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度制御素子としてペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂを使用しているが、素子温度を３５〜８０℃とすることが望ましい。室温（実使用温度）近辺とした場合、ペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂに対して印加する電流の極性を反転させることが必要となるが、室温より高めの３５〜８０℃とすることで極性反転が不要となり、制御速度がより高速になる。また、室温と素子温度との差が大きいほど素子冷却時の制御速度をより高速にすることができるが、消費電力もそれに伴い大きくなるため、素子を保持する温度としては４０〜６０℃の範囲であることがより望ましい。

一方、素子の保持温度を８０〜２００℃とすることで、より安価なヒーターを使用することも可能である。ペルチェ素子を使用した場合より保持温度が高くなるのは、温度上昇時の制御速度はペルチェ素子とほぼ同一であるが、温度下降時の制御速度がペルチェ素子よりも低速であるためで、気温と素子温度との温度勾配を大きくする必要があるためである。

本実施の形態においては、上述したように、環境温度モニターとしてサーミスタ４０９を付加させても良い。以下、本実施の形態にサーミスタ４０９を付加させた場合について説明する。緑色レーザ光源１０５Ｇの動作を開始すると、サーミスタ４０９は環境温度を検出し、その後、ＬＤ電源１０４からのＬＤ電流を励起用ＬＤ２０２に印加し、緑色光出力が可能な状態にする。ここで、ＬＤ電流の値は基本波出力にして５００ｍＷ程度とし、位相整合条件が合致した際に緑色光にして２０ｍＷ出力できる程度の電流値とした。本実施の形態の場合、１Ａ程度とした。その理由として、立ち上げ用の緑色光として微小な出力のため、２次元画像表示装置とした場合に光を出力していることが目立たないためである。この際、サーミスタ４０９により検出された環境温度が設定値より低い場合と高い場合で場合分けされる。

環境温度が設定値より低い場合、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を制御するペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂへの電流を流し、緑色光出力値が設定値となるまで、ペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂはＰＷＭ波形の電流で駆動されているため、ペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂへ電流を供給する時間を増やして、素子温度を上げながら緑色光出力をモニターする。このようにして、緑色光出力のピークサーチを行う。また、ペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂへ供給される電流波形（ＰＷＭ波形）は、緑色光出力値が設定値に近づくにつれＯＦＦ時間が長くなるように比例制御されている。

一方、環境温度が設定値より高い場合、ペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂへ流す電流の極性を反転し、同様の動作を行うことで、ピークサーチを完了することができる。サーミスタ４０９を用いた場合、素子温度を環境温度より低くすべきか高くすべきか判断できるため、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの位相整合温度を４０〜６０℃と室温よりも高く設計しておく必要はない。なお、この場合には、極性反転のための回路が必要となり、その回路構成によっては制御速度の低下が起こり得る。

次に、判定回路４０２による波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度制御について説明する。図６Ａは、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度特性とその立ち上げ動作後の波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度の待機位置との関係を表す図である。待機温度としては、高調波強度がピークとなる位相整合温度の８５〜９５％となり、かつ、位相整合温度より低い温度となるように制御する（図中（ａ）で示す位置を参照）。この位置で待機させることにより、動作時の環境温度をモニターすることができる。つまり、出力が上昇すれば環境温度が低下しており、出力が減少すれば環境温度が上昇していることが分かる。このため、この出力値の変化に基づいて波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を制御することができる。

図６Ｂに、ファイバレーザ２０１の発振波長が長波長シフトした場合の位相整合波長の変化を示し、図６Ｃに、ファイバレーザ２０１の発振波長が短波長シフトした場合の位相整合波長の変化を示す。まず、図６Ｂにおいて、上記のように波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度が待機温度に制御され、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂから出力される緑色光がピーク出力の８５〜９５％となる待機位置で緑色光を出力しているときに、ファイバレーザ２０１からの基本波波長が長波長側へシフトすると、緑色光の出力は、矢印（１）で示すように、上記の待機位置から移動して上昇する。このとき、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を上昇させると、緑色光の出力に対する位相整合波長の特性曲線は、矢印（２）で示すように、実線から破線へ変化して図中の右側すなわち長波長側へシフトする。このシフトにより、矢印（３）に示すように、緑色光の出力を回復させることができる。

また、図６Ｃにおいて、上記の待機位置で緑色光を出力しているときに、ファイバレーザ２０１の基本波波長が短波長側へシフトすると、緑色光の出力は、矢印（１）に示すように、上記の待機位置から移動して下降する。このとき、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を低下させると、緑色光の出力に対する位相整合波長の特性曲線は、矢印（２）で示すように、実線から破線へ変化して図中の左側すなわち短波長側へシフトする。このシフトにより、矢印（３）に示すように、緑色光の出力を回復させることができる。

次に、判定回路４０２による緑色光の出力値の一定値制御について説明する。図７Ａは、判定回路４０２による緑色光の出力値の一定値制御の処理手順を示すフローチャートである。本実施の形態の緑色レーザ光源１０５Ｇでは、各段（波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂ）から出射される高調波光（緑色光）の強度の合算値が一定になるように制御する。つまり、１段目（波長変換素子２０５ａ）からの緑色光出力（以下、「Ｇ１」とする。）と２段目（波長変換素子２０５ｂ）からの緑色光出力（以下、「Ｇ２」とする。）との和であるＧ１＋Ｇ２が一定となるように制御を行っている。

具体的には、まず、ステップＳ２０１において、判定回路４０２は、各段からの緑色光出力を取得する。次に、ステップＳ２０２において、判定回路４０２は、ＬＤ電源１０４の電流値が所定の使用可能範囲内にあることを確認すると共に、緑色光出力の合算値Ｇ１＋Ｇ２が変動したか否かを判定し、合算値Ｇ１＋Ｇ２が変動していない場合は、ステップＳ２０１へ処理を戻す。なお、軽微な変動に対しては、判定回路４０２はＬＤ電源１０４で励起用ＬＤ２０２の駆動電流を調整し、合算値Ｇ１＋Ｇ２の強度を調整する。このことにより、合算値Ｇ１＋Ｇ２の強度は一定に保たれるＡＰＣ制御が動作する。

一方、ＡＰＣ制御により対応できる範囲を逸脱した場合には、ステップＳ２０３において、ＡＰＣ制御からＡＣＣ（オートカレントコントロール）制御に移行し、合算値Ｇ１＋Ｇ２が一定となる制御ループを適用する。この判断を行った後で、ステップＳ２０４において、各段から取得した緑色光出力値に基づいて適用するアルゴリズム（サブルーチン）の判定を行う。

ステップＳ２０４で用いられる判定基準を図７Ｂに示す。まず、Ｇ１が増加し、Ｇ２が減少した場合、合算値Ｇ１＋Ｇ２の変動の原因としては、１段目の素子温度が低下したことが考えられる。逆に、Ｇ１が減少し、Ｇ２が増加した場合、１段目のみ素子温度が上昇するか、光吸収による素子発熱が原因と考えられる。Ｇ１が増加し、Ｇ２が一定の場合、１段目の素子温度が低下した上、２段目の素子温度が上昇していることが考えられる。逆に、Ｇ１が低下し、Ｇ２が一定である場合、１段目の素子温度が上昇し、２段目の素子温度が低下していると考えられる。以上の場合、１段目の素子の温度と２段目の素子温度を逆方向に修正する必要があるため、アルゴリズム１のサブルーチンＡを実行し、合算値Ｇ１＋Ｇ２を一定に保つ。

Ｇ１、Ｇ２ともに上昇あるいは下降した場合、合算値Ｇ１＋Ｇ２の変動の原因として環境温度が変化したか、ファイバレーザ２０１の基本波レーザの波長が変化したことが考えられる。この場合、１段目の素子温度と２段目の素子温度を同じ方向に修正する必要があるため、アルゴリズム２のサブルーチンＢを実行し、合算値Ｇ１＋Ｇ２を一定に保つ。

Ｇ１が一定なのに対し、Ｇ２のみが変動した場合、合算値Ｇ１＋Ｇ２の変動の原因として、２段目の素子温度が変動したことが考えられる。この場合、２段目の素子温度のみ修正すればよいため、アルゴリズム３のサブルーチンＣを実行し、合算値Ｇ１＋Ｇ２を一定に保つ。

以下に、各アルゴリズム１〜３のサブルーチンＡ〜Ｃの処理について説明する。図８は、アルゴリズム１のサブルーチンＡの処理を説明するためのフローチャートである。アルゴリズム１のサブルーチンＡは、１段目の出力値増減と２段目の出力値増減が逆に動いている場合のルーチンである。そのため、１段目と２段目の各出力値Ｇ１およびＧ２を個々に確認しながら波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温調を行う。

図８において、まず、Ｇ１の値が上昇または下降しているかによって、波長変換素子２０５ａのペルチェ素子２０７ａに流れる電流量を制御する。具体的には、ＰＷＭ信号発生器４０４の波形（ＯＮ／ＯＦＦ時間）を操作することにより、平均的な電流量を増減させる。すなわち、Ｇ１値が上昇している場合には（ステップＳ３０３）、１段目のペルチェ素子２０７ａへの電流量を増加させ、波長変換素子２０５ａを加熱する。一方、Ｇ１値が下降している場合には（ステップＳ３０１）、ペルチェ素子２０７ａへの電流量を減少させ、波長変換素子２０５ａを冷却する。上記のステップＳ３０１および３０３での素子温度変動時には、オーバーシュートが発生するため、ステップＳ３０２および３０４において、Ｇ１出力を励起用ＬＤ２０２への電流値へフィードバックすることにより、出力変動を抑制する。

続いて、ステップＳ３０５において、合算値Ｇ１＋Ｇ２が回復しているかどうかを判定し、回復していれば図７Ａのメインルーチンに復帰させ、回復していない場合は、２段目の素子温度の制御を行う。

２段目の素子温度の制御においては、合算値Ｇ１＋Ｇ２が回復させたい値より大きいかまたは小さいかによって、２段目のペルチェ素子２０７ｂに流れる電流量を制御する。合算値が回復させたい値より大きい場合には（ステップＳ３０８）、２段目のペルチェ素子２０７ｂへの電流量を増加させ、波長変換素子２０５ｂを加熱する。一方、合算値が回復させたい値より小さい場合には（ステップＳ３０６）、ペルチェ素子２０７ｂへの電流量を減少させ、波長変換素子２０５ｂを冷却する。上記のステップＳ３０６および３０８での素子温度変動時には、オーバーシュートが発生するため、ステップＳ３０７および３０９において、合算値Ｇ１＋Ｇ２を励起用ＬＤ２０２への電流値へフィードバックすることにより、出力変動を抑制する。

最後に、ステップＳ３１０において、サブルーチンＡを実行した後の合算値Ｇ１＋Ｇ２に対する励起用ＬＤ２０２への電流値と緑色レーザ光源１０５Ｇの立ち上げ時における初期電流値との比較を行い、その差が設定範囲内に収まっていればメインルーチンへ復帰し、外れていれば再びアルゴリズム１のサブルーチンＡを実行する。

図９は、アルゴリズム２のサブルーチンＢの処理を説明するためのフローチャートである。アルゴリズム２のサブルーチンＢは、１段目の出力値増減と２段目の出力値増減が同じ方向に動いている場合のルーチンである。そのため、１段目と２段目の各出力値Ｇ１およびＧ２に対して同じ方向（温度上昇／低下）に波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温調を行う。

図９において、まず、Ｇ１およびＧ２が共に増加または減少しているかによって、１段目および２段目のペルチェ素子２０７ａおよび２０７ｂに流れる電流値を制御する。Ｇ１およびＧ２が共に上昇している場合には、ステップＳ４０５において、１段目のペルチェ素子２０７ａへの電流量を増加させ、波長変換素子２０５ａを加熱する。ステップＳ４０５での素子温度変動時には、オーバーシュートが発生するため、ステップＳ４０６において、Ｇ１出力を励起用ＬＤ２０２への電流値へフィードバックすることにより、出力変動を抑制する。

次に、ステップＳ４０７において、２段目のペルチェ素子２０７ｂへの電流量を増加させ、波長変換素子２０５ｂを加熱する。ステップＳ４０７での素子温度変動時には、オーバーシュートが発生するため、ステップＳ４０８において、Ｇ２出力を励起用ＬＤ２０２への電流値へフィードバックすることにより、出力変動を抑制する。

一方、Ｇ１およびＧ２が共に下降している場合には、ステップＳ４０１において、１段目のペルチェ素子２０７ａへの電流量を減少させ、波長変換素子２０５ａを冷却する。ステップＳ４０１での素子温度変動時には、オーバーシュートが発生するため、ステップＳ４０２において、Ｇ１出力を励起用ＬＤ２０２への電流値へフィードバックすることにより、出力変動を抑制する。

次に、ステップＳ４０３において、２段目のペルチェ素子２０７ｂへの電流量を減少させ、波長変換素子２０５ｂを冷却する。ステップＳ４０３での素子温度変動時には、オーバーシュートが発生するため、ステップＳ４０４において、Ｇ２出力を励起用ＬＤ２０２への電流値へフィードバックすることにより、出力変動を抑制する。

最後に、ステップＳ４０９において、サブルーチンＢを実行した後の合算値Ｇ１＋Ｇ２に対する励起用ＬＤ２０２への電流値と緑色レーザ光源１０５Ｇの立ち上げ時における初期電流値との比較を行い、その差が設定範囲内に収まっていればメインルーチンへ復帰し、外れていれば再びアルゴリズム２のサブルーチンＢを実行する。

図１０は、アルゴリズム３のサブルーチンＣの処理を説明するためのフローチャートである。アルゴリズム３のサブルーチンＣは、２段目の温度のみを修正して、出力変動に対応する場合のルーチンである。

図１０においては、まず、Ｇ２値が上昇している場合には、ステップＳ５０３において、２段目のペルチェ素子２０７ｂへの電流量を増加させ、波長変換素子２０５ｂを加熱する。一方、Ｇ２値が下降している場合には、ステップＳ５０１において、ペルチェ素子２０７ｂへの電流量を減少させ、波長変換素子２０５ｂを冷却する。上記のステップＳ５０１および５０３での素子温度変動時には、オーバーシュートが発生するため、ステップＳ５０２および５０４において、Ｇ２出力を励起用ＬＤ２０２への電流値へフィードバックすることにより、出力変動を抑制する。

続いて、ステップＳ５０５において、サブルーチンＣを実行した後の合算値Ｇ１＋Ｇ２に対する励起用ＬＤ２０２への電流値と緑色レーザ光源１０５Ｇの立ち上げ時における初期電流値との比較を行い、両者の差が設定範囲内に収まっていればメインルーチンへ復帰し、外れていれば再びアルゴリズム３のサブルーチンＣを実行する。

上記の各アルゴリズム１〜３のサブルーチンＡ〜Ｃの処理においては、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの待機温度として、高調波強度がピークとなる位相整合温度の８５〜９５％となり、かつ、位相整合温度より低い温度となるように制御されている（図６Ａの（ａ）で示す位置）。しかしながら、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの急激な温度変化により、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度がピークを越え、図６Ａの（ｂ）で示す位置に達し、立ち上げ動作後の待機位置を逸脱してしまう場合が起こり得る。この場合、本実施の形態では、山越え復帰動作を行う。山越え復帰動作は例えば、上記のサブルーチンＡ〜ＣにおけるステップＳ３１０、Ｓ４０９およびＳ５０５において、合算値Ｇ１＋Ｇ２に対する励起用ＬＤ２０２への電流値と緑色レーザ光源１０５Ｇの立ち上げ時における初期電流値との差が、各サブルーチンＡ〜Ｃを所定の回数Ｎだけ実行しても設定範囲内に収まらない場合に、実行すればよい。

図１１に、山越え復帰動作の処理を説明するためのフローチャートを示す。山越え復帰動作では、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの各ペルチェ電流を増加させ（ステップＳ６０１）、オーバーシュート回避のため、合算値Ｇ１＋Ｇ２を励起用ＬＤ２０２への電流値にフィードバックさせながら（ステップ６０２）、合算値Ｇ１＋Ｇ２に対する励起用ＬＤ２０２への電流値と緑色レーザ光源１０５Ｇの立ち上げ時における初期電流値との比較を行い（ステップＳ６０３）、低ければステップＳ６０１に戻ることにより徐々に山越えさせ、高くなった時点で図７Ａのメインルーチンへ移行し、待機位置への山越え復帰動作は終了する。

図１２は、本実施の形態に示した出力一定値制御のルーチンを使用して、制御を行った一例として環境温度が上昇し、緑色光出力が低下した場合における各値を時系列に表す図である。図１２において、時刻ｔ１で環境温度が変化した場合、それに伴い、ファイバレーザ２０１のファイバグレーティング２０４ｂの変化により基本波波長が長波長化していく。この基本波波長の変化に波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度を高速に追従させることは困難であるため、時刻ｔ１で励起用ＬＤ２０２の電流を一時的に増加させ、緑色光出力を一定に保つ。波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度の上昇にあわせ、励起用ＬＤ２０２への電流値を定常値に戻していく。時刻ｔ２付近で波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂの温度がオーバーシュートすることがあるため、この場合でも一時的に励起用ＬＤ２０２への電流値を操作することで緑色光出力を一定に保つことができる。

本実施の形態によれば、従来構成のように素子温度の監視を０．０１℃の精度で行う必要がなくなり、頻繁に温度を取得する必要がないため、制御回路および制御プログラムを簡略化できる。また、波長変換素子近辺の熱設計によっては、一定値制御から逸脱する「熱暴走」を防止することができる。さらに、本実施の形態では、温度の指標として緑色光出力を用いているため、より高精度の温度制御が可能となる上、励起用ＬＤに供給する電流と相互に監視を行うことで緑色光の出力変動をほとんど起こすことなく、緑色光出力の一定値制御を可能にする。

特に、ファイバグレーティングにより発振波長が決定されたファイバレーザからのレーザ光を基本波とする波長変換装置に対して有効である。

本実施の形態では、Ｙｂファイバレーザを基本波光源とし、波長変換素子を利用して得られた、緑色光源について述べているが、同様にファイバグレーティングにより基本波光源の波長が決定されており、波長変換素子として、分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３素子を用いた光源であれば４８０〜６００ｎｍ程度の可視光を同様の構成で安定化させることが可能である。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、波長変換素子として、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃの少なくともいずれかの添加物を含むＬｉＮｂＯ_３結晶またはＬｉＴａＯ_３結晶を用い、かつ、１Ｗを超える緑色光を生成する場合の形態である。

本発明者らの検討の結果、波長変換素子として、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくともいずれかの添加物を含むＬｉＮｂＯ_３結晶またはＬｉＴａＯ_３結晶を用い、かつ、１Ｗを超える緑色光を生成する場合、波長変換素子の素子温度と発生する高調波強度との関係が上記の図６Ａに示した関係と異なることが確認された。図１３に、本実施の形態の波長変換素子の温度特性とその立ち上げ動作後の波長変換素子の温度の待機位置との関係を表す図である。

図１３に示すように、数ｍＷ程度の低出力波長変換時において、位相整合温度付近の波長変換素子の温度特性Ｌ１は、上記の図６Ａと同様に、位相整合温度を中心として、高温側と低温側が対称となる。しかし、上述した非線形光学結晶を波長変換素子として用い、かつ、赤外光から１Ｗを超える緑色光を得る場合、赤外光と緑色光の和周波として発生する紫外光による緑色光吸収が発生し、ビームパス内に発熱が起こる。このため、ビームパスの温度と素子の温度制御に用いるペルチェ素子（ヒーター）の温度に温度差が発生し、高調波強度を最大とするペルチェ素子（ヒーター）の温度は低温側に移動する。さらに、低温側への移動量は、生成する緑色光出力が多いほど大きい。このため、例えば、波長変換素子としてＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３を用い、素子長を２５ｍｍとした場合、緑色最大出力２Ｗとなる高出力波長変換時の波長変換素子の温度特性Ｌ２は、ペルチェ最適温度より高温側における勾配が、低温側における勾配に比べて緩やかとなる。このとき、ペルチェ最適温度より低温側の位置（ａ）で待機する場合に比べて、高温側の位置（ｂ）で待機することで、温度変化に対する出力変動を約６４％軽減することができる。

以上より、上記の実施の形態１において、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃの少なくともいずれかの添加物を含むＬｉＮｂＯ_３結晶またはＬｉＴａＯ_３結晶を波長変換素子に用い、１Ｗを超える緑色光を生成する場合、ペルチェ最適温度より高温側において、上記の実施の形態１の制御を行なうことが好ましい。ただし、待機位置が位相整合温度より低温側の位置（ａ）から高温側の位置（ｂ）になることにより、ペルチェ素子に流す電流量の増減は、上記の実施の形態１と逆となることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、赤外光を基本波とし、第２高調波となる緑色光への変換について、本発明の効果を示したが、一般的に、ＬｉＮｂＯ_３結晶またはＬｉＴａＯ_３結晶にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎなどを添加したものは、波長４００ｎｍ以下の紫外光により、波長４００〜８００ｎｍの可視光を吸収することが分かっている。つまり、８００〜１２００ｎｍの波長の基本波を入射し、その第２高調波を生成する場合、基本波と第２高調波の和周波として発生する第３高調波が、その第２高調波の吸収を引き起こす。また、４００〜８００ｎｍの波長の基本波を入射し、その第２高調波を生成する場合、第２高調波が基本波の吸収を引き起こす。さらに、１２００〜１６００ｎｍの波長の基本波を入射し、その第２高調波を生成する場合についても、第２高調波から波長変換した第４高調波が第２高調波の吸収を引き起こすため、同様に、本発明の効果が発揮される。さらに、１２００〜２０００ｎｍの波長の基本波を入射し、第４高調波を発生させる場合、基本波と第４高調波の和周波として発生する第５高調波が、その第４高調波の吸収を引き起こし、同じく、１２００〜２０００ｎｍの波長の基本波を入射し、第２高調波と第３高調波の両方を発生させる場合、第２高調波と第３高調波の和周波として発生する第５高調波が第３高調波の吸収を引き起こす。よって、これらの場合においても、本発明の効果が発揮されることは言うまでもない。

また、これらの場合以外にも、ＬｉＮｂＯ_３結晶にＥｒ、Ｎｄを添加することで、紫外光の発生が少ない場合においても、緑色光吸収率を高めることが可能となり、本発明の効果が発揮される。つまり、基本波を入射し、その高調波に変換する場合、高調波の吸収率が基本波の吸収率を上回る場合すべてにおいて、位相整合温度の高温側での制御が望ましい。さらに、基本波の吸収率が高調波の吸収率を上回る場合は、ペルチェ最適温度より低温側において制御することが望ましいことは言うまでもない。また、これらは、波長変換素子が１つとなる１段構成の波長変換装置においても有効となる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１４に、判定回路４０２による緑色光の出力値の他の一定値制御の処理手順を示すフローチャートである。本実施の形態では、上記の実施の形態１と同様に、図４で示した波長変換装置を用い、位相整合温度を室温より高い温度とする。

まず、緑色レーザ光源１０５Ｇの立上げ動作として、ＬＤ電源１０４からの駆動電流、ＰＷＭ信号発生器４０４からのペルチェ電流量を共に最大とする。ペルチェ電流量の急激な増大によって波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂを急過熱する。ここで、波長変換素子２０５ａおよび２０５ｂを急加熱するのは、図１の２次元画像表示装置の立ち上げ時間の短縮のためである。Ｇ１、Ｇ２値が予め設定した閾値を超えることを確認した後、立上げ動作を終了する。ここで、閾値出力は所望の緑色出力の２０〜８０％程度が望ましい。

立上げ動作を終了した後、通常動作として図１４に示すメインルーチンを実行する。図１４に示すように、判定回路４０２は、ステップＳ７０１において、各段の緑色光出力を取得し、ステップＳ７０２において、判定回路４０２は、ＬＤ電源１０４の電流値が所定の使用可能範囲内にあることを確認すると共に、緑色光出力の合算値Ｇ１＋Ｇ２が変動したか否かを判定し、合算値Ｇ１＋Ｇ２が変動していない場合は、励起用ＬＤ２０２の駆動電流をＡＰＣ制御し、ペルチェ電流量は一定値制御を続ける。

一方、ＡＰＣ制御により対応できる範囲を逸脱した場合には、ステップＳ７０３において、ＡＰＣ制御からＡＣＣ制御に移行し、素子温度復帰ルーチンへ進む。素子温度復帰ルーチンにおいては、Ｇ１、Ｇ２の順で、以下の動作を行い、位相整合温度への復帰を行なう。

まず、励起用ＬＤ２０２の駆動電流がＡＣＣ制御に切り替えられ、ペルチェ電流量を増加させながら、増加電流量ΔＩごとの出力値の変化に基づき、直近３回の出力値が図１５Ａに示すように、単調増加の場合は、緑色光出力が許容範囲に復帰するまで、ペルチェ電流量を増加させる。一方、図１５ＢおよびＣに示すように、それ以外の場合は、緑色光出力が所望の値に復帰するまで、ペルチェ電流量を減少させる。Ｇ１およびＧ２とも、上記の動作により出力値が所望の値となったことを確認し、メインルーチンに復帰させる。

ここで、メインルーチンへの復帰の判断基準となる所望の緑色光出力は、励起用ＬＤ２０２の駆動電流をＡＣＣ制御からＡＰＣ制御に戻した場合に、励起用ＬＤ２０２の駆動電流が少なくとも許容範囲内になることが必要となる。

本実施の形態では、上記の実施形態１に比べて、待機位置の変換効率が高く、平均的な波長変換効率が高くなる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態では、上記の実施の形態１〜３の光出力安定機構を用いた２次元画像表示装置における、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源それぞれの制御方法について述べる。本実施の形態の２次元画像表示装置の構成については図１に示した通りである。

本実施の形態においては、赤色レーザ光源１０５Ｒの温度特性が環境温度変化に敏感なことである。図１６Ａに、赤色レーザ光源１０５Ｒの温度特性の一例であるＬＤを保持しているＬＤホルダ部の温度をパラメータとした、印加電流に対するレーザ光出力の変化を示す。図１６Ａに示すように、ＬＤホルダ部の温度上昇に伴って、徐々に閾値電流は上昇する。しかしながら、３５℃までは定格出力である５００ｍＷを出力することが可能であるが、４０℃を超えたところで定格出力を出すことができなくなり、４５℃では発振は停止した。この傾向は歪み量子井戸構造を持ち、ＬＤホルダ部の温度が２５℃のとき６３５〜６４０ｎｍの波長においてＴＭ偏光で発振するＬＤを使用すると顕著である。ＬＤホルダ部の温度が２５℃のとき６４０〜６５０ｎｍの波長においてＴＥ偏光で発振するＬＤを使用することで、この問題を回避することができるが、６３５ｎｍと比較して視感度が６０％程度となるため、その分多くのレーザ光出力が必要になるという欠点もある。

図１６Ｂは、ＬＤホルダ部の温度に対する赤色ＬＤの発振波長との関係を示す図である。ＬＤホルダ部の温度が変化するに伴って、発振波長が約３．３ｎｍ／Ｋで上昇していることが分かる。このことは、このような赤色ＬＤを２次元画像表示装置に使用した場合、赤色ＬＤの温度が上昇するに従い、白色を得るための他の色（緑色、青色）の割合、つまり、ホワイトバランスが変化し、表示している色が変化するという問題点がある。従来は、ＬＤの温度を高精度で制御することにより、この課題を解決していた。この方法では、温度の調整途中にホワイトバランスがずれてしまい、表示する画像が劣化することがあった。

本実施の形態では、赤色ＬＤの温度を取得し、発振波長と発生可能な出力を判定し、ホワイトバランスの算出を行い、ＬＤ電源１０４へ電流出力の命令を送る構成を取る。図１７Ａに、本実施の形態における赤色レーザ光源１０５Ｒの構成を示す。図１７Ａに示すように、本実施の形態の赤色レーザ光源１０５Ｒにおいては、赤色ＬＤ５１２を保持するＬＤホルダ（ペルチェ素子）５１３の温度を取得するサーミスタ５０８が設置されている。コントローラ５１０は、出力される赤色光をモニターするフォトダイオード５１５より送られる電圧信号を信号変換するＡ／Ｄコンバータ５０１と、マイクロコンピュータから構成された判定回路５０２と、ＬＤ電流値信号を生成するためのＤ／Ａコンバータ５０３と、ペルチェ素子５１３への制御信号であるＰＷＭ信号を送るＰＷＭ信号発生器５０４と、赤色ＬＤ５１２に供給される電流値と出力値との関係を設定しておくための電流‐出力値設定テーブル５０５と、制御時に電流および出力値を一時的に記憶しておく第１のレジスタ５０６と、工場出荷時の各設定値を記憶させておく第２のレジスタ５０７と、で構成されている。必要な光量は外部信号である光量制御信号により決定される。

図１７Ｂに、赤色ＬＤ５１２の監視動作時の処理を説明するためのフローチャートを示す。赤色ＬＤ５１２の動作がスタートされると、ステップＳ８０１において、ＬＤホルダ５１３の温調が開始される。その後、判定回路５０２は、ステップＳ８０２において、ＬＤホルダ５１３の温度を取得する。ステップＳ８０３において、ＬＤホルダ５１３の温度とコントローラ５１０の第１のレジスタ５０６に記憶されている温度をパラメータとした電流‐出力値テーブル５０５を参照して、判定回路５０２は、赤色ＬＤ５１２の発振波長および発生可能出力の判定を行う。

上記のステップ８０３において判定された赤色ＬＤ５１２の発振波長および発生可能出力は、ステップＳ８０４において、図１の画像処理部１０２に送信され、ホワイトバランスの判定と実際にＬＤより出力指令する出力値が設定される。続いて、ステップＳ８０５において、この出力値はＬＤ電源５１１に送信され、赤色ＬＤ５１２が実際に発光する。

従来技術では、ＬＤが発光中でも出力光の強度が環境温度により時々刻々と変化するため、従来のような温度一定値制御では、制御が間に合わないという問題があったが、本実施の形態の場合、各瞬間の赤色ＬＤ５１２の温度から出力可能値を算出するため、制御が間に合わないという問題を回避することができる。また、突発的に赤色ＬＤ５１２の温度が高くなり、赤色光の出力値が小さくなる場合、画面上の明暗の変化が大きくなるため、通常の明るさに復帰させる際に徐々に復帰させることが望ましい。復帰させる方法としては、後に述べるライトコントロール機能を使用することができる。

図１８Ａ〜Ｃに、ホワイトバランスをとるためにコントローラ５１０の電流‐出力値テーブル５０５の一例を示す。図１８Ａに、赤色ＬＤの場合の一例を示す。電流‐出力値テーブル５０５に記憶しておく内容は、各温度において、出力上限値を得るための電流値はいくらかという形で記憶している。電源回路で発生できる電流値を印加しても出力上限値が得られない場合（図中で４０℃、４５℃の場合）、電流上限値で得られる最大出力値を記録している。つまり、図中の黒塗り部分の値を温度ごとに記憶させている。このようなテーブルを緑色レーザ用（図１８Ｂ）、青色レーザ用（図１８Ｃ）それぞれ作製し、コントローラ５１０の電流‐出力値テーブル５０５に記憶させておく。

また、画像処理部１０２には、ホワイトバランスをとることができる赤色レーザ光源１０５Ｒ、緑色レーザ光源１０５Ｇおよび青色レーザ光源１０５Ｂからの必要出力値を記憶しており、各色どのような出力値においてもホワイトバランスをとることが可能になっている。図１９に、各色の出力に対するホワイトバランスが取れる比率のカーブを示している。このように、ホワイトバランスのカーブは３次元空間中のある曲線で表すことができるため、いずれか一色の光出力値が分かれば、残りの２色の必要光量も一義的に決定できる。また、各色のＬＤが経年劣化し、印加電流値に対する光出力値が小さくなった場合、ＬＤへの印加電流量を増やして対応させることができる。

ＬＤの経年劣化により印加電流量を増やさざるを得ない場合、図１８Ａ〜Ｃに示したテーブルの電流値書き換えを行うことで対応する。ＬＤ周辺の温度が高いあるいはＬＤの経年劣化などでＬＤに印加できる最大電流値を印加しても最大出力値が得られない場合は、もっとも出力が不足している光源にあわせてホワイトバランスをとる。

このようにしてホワイトバランスをとりながら、映像信号の輝度信号にあわせて、光源からの光量を調整するいわゆるライトコントロールやダイナミックアイリスと呼ばれる光量制御機能を実現することも可能である。図２０Ａ〜Ｃに、本実施の形態における、ある１色の光出力最大値からホワイトバランスをとる方法をライトコントロールに適用させた例を示す。図２０Ａは、ホワイトバランスをとる際、赤色ＬＤからの赤色出力最大値で他の２色の出力が制限される場合を示している。ここでは、８ｂｉｔでライトコントロールをする場合で、かつ、電流値をリニアに変化させて光量変化させる場合について説明する。赤色出力最大値が決定されるとその赤色出力にあわせて、緑色出力及び青色出力を低下させてホワイトバランスをとる。また、光量０からホワイトバランスが取れる光量が最大となる点までの出力値を８分割し、映像の輝度信号に合わせて光量を調整することができる。図２０ＢおよびＣに、そのほかの色の光源で光量制限を受ける場合のそれぞれのレーザ光源からの出力の動きを示している。

レーザ光源をリニア制御することによるライトコントロール以外に点灯時間を時分割制御するＰＷＭ制御でも同様にライトコントロール機能を実現することができる。ＰＷＭ制御であれば、光量の最大値だけ取得していれば、その都度、分割した値を計算する必要なく、点灯時間を時分割するだけでよいので、コントローラ５１０による計算が大幅に簡略化される。

ライトコントロールする際、光量が０となる点の印加電流値は各レーザ光源の発振閾値以上とすることが望ましい。その理由として、発振閾値を跨いで電流値を急激に変動させる場合、大きな突入電流が発生し、ＬＤを破壊する可能性があるためである。

上記の実施の形態１〜４では、透過型液晶素子を用いた空間変調素子を用いたが、微少反射素子を用いた変調素子やガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元変調素子を用いることももちろん可能であり、平面上の導光機構に光を導波させ大型の液晶パネルの裏面より照明することでバックライトとしても用いることが可能である。

上記の実施の形態１〜４において、ファイバレーザは、他の希土類元素、例えば、Ｎｄ、Ｅｒ等から選択された少なくとも１つの希土類元素を用いてもよいが、希土類元素としてＹｂをドープしたものを用いたものは、ゲインがブロードなため１０３０〜１１５０ｎｍと発振波長範囲が非常に広いため様々な光源に使用できるという特徴を持っており、非常に望ましい。また、波長変換装置の波長や出力に応じて希土類元素のドープ量を変えたり、複数の希土類元素をドープしたりしてもよい。

上記の実施の形態１〜４において、ファイバレーザの励起用ＬＤには、波長９１５ｎｍおよび波長９７６ｎｍのレーザを用いたが、ファイバレーザを励起できるものであれば、これらの波長以外のレーザ光源を用いてもよい。

上記の実施の形態１〜４において、波長変換素子は周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３を用いたが、他の材料や構造の波長変換素子、例えば、周期的に分極反転構造を有するリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ_３等を用いてもよい。

上記の実施の形態１〜４における波長変換装置によれば、複数の波長変換機構を持つ波長変換装置において得られる緑色光出力に対し、波長変換素子の温度と励起用ＬＤに供給する電流とをそれぞれ制御を行うことにより、波長変換素子の温度調節を行っている間の出力変動を励起用ＬＤに供給する電流により補償することにより、波長変換素子の温度を一定値に制御するいわゆる「一定値制御」の場合と比較して緑色光の出力変動を小さくすることが可能となる。

従来では、素子温度の監視を０．０１℃の精度で行う必要があり、制御回路および制御プログラムが複雑化し、また、波長変換素子近辺の熱設計によっては、一定値制御から逸脱する「熱暴走」が発生することがあったが、上記の実施の形態１〜４における波長変換装置によれば、温度の指標として緑色光出力を用いているため、より高精度の温度制御が可能となる上、励起用ＬＤに供給する電流と相互に監視を行うことで緑色光の出力変動をほとんど起こすことなく、緑色光出力の一定値制御を可能にすることができる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。図２１は、本実施の形態における波長変換装置の構成を示す図である。図２１において、ポンプ用ＬＤ１１０１でコア部分に希土類としてＹｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバ１１０３（本実施の形態の場合、ファイバ長１０ｍ）を励起し、一組のファイバグレーティング１１０２および１１０４で構成された共振器内でレーザ光を発振させる。Ｙｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバ１１０３を用い、ファイバグレーティング１１０２および１１０４の特性を操作することにより、１０５０〜１１７０ｎｍまでの光を任意に発振でき、ディスプレイ応用面で望ましいため、このレーザ活性物質を選択した。

本実施の形態の場合、ポンプ用ＬＤ１１０１として、発振波長９１５ｎｍのシングルエミッタレーザダイオード（最大出力８Ｗを３個）を使用している。ファイバグレーティング１１０２は、ダブルクラッド偏波保持ファイバ１１１１のコア部分にゲルマニウムが添加されており、紫外光に対する感度を向上させ、グレーティングを形成させた偏波保持ファイバに形成されており、中心波長１０７０ｎｍ、反射スペクトル半値幅１ｎｍ、反射率９８％という特性を持っている。また、ファイバグレーティング１１０４は、一般的なシングルモード偏波保持ファイバ１１１２（コア径６μｍ、クラッド外形１２５μｍ）のコア部分に同じくゲルマニウムが添加されたものに形成しており、中心波長は１０７０ｎｍで反射スペクトル半値幅は０．０９ｎｍ、反射率１０％のものを使用している。ファイバグレーティング１１０４の反射率を大きくすることで、希土類添加ダブルクラッド偏波保持ファイバ１１０３の長さを長くすることは可能であるが、特性の改善には限界があり、有効な対策とは言えない。また、波長変換用途では狭帯域化が重要だが、反射率を大きくすることでファイバグレーティング１１０４の狭帯域化が困難になるという問題がある。ポラライザ１１０５においては、片側の偏光成分のレーザ共振器内損失を大きくすることで、発振させる光の偏光を単一偏光（直線偏光）にするために使用している。直線偏光にする理由としては、ＳＨＧモジュール１１０８ａおよび１１０８ｂ内の波長変換結晶が一方の偏光成分しか波長変換しないからである。その後、発振した１０６４ｎｍ付近の光を伝搬させる光偏波保持ファイバにより、ＳＨＧモジュール１１０８ａおよび１１０８ｂに導入し、第２高調波発生により５３２ｎｍの光を発生させる。Ｙｂドープクラッドポンプファイバ１１０３とポラライザ１１０５との間に希土類添加ダブルクラッド偏波保持ファイバ１１１１と一般的なシングルモード偏波保持ファイバ１１１２との接続部分１１１０が存在し、ファイバ劣化の要因となるため、ポンプ光発散吸収機構１１０９を設けている。本実施の形態では、ファイバグレーティング１１０２の保持方法に関して、新たに提案を行っている。

なお、本実施の形態における波長変換装置は、上記の実施の形態１〜４と同様、２つのＳＨＧモジュール１１０８ａおよび１１０８ｂを備えており、いわゆる２段構成となっている。２つのＳＨＧモジュール１１０８ａおよび１１０８ｂは、コントローラ１１１３に接続されており、２つのＳＨＧモジュール１１０８ａおよび１１０８ｂからの出力値の合算値の一定値制御がなされている。

次に、本実施の形態におけるファイバグレーティング１１０２の保持方法について説明する。出力が１Ｗを超えるような、ファイバグレーティングで発振波長が決定されているファイバレーザにおいて、励起光用レーザダイオードに近い、ダブルクラッドファイバグレーティングが自ら発熱し、反射特性が変化することで、レーザ発振が不安定となることが明らかとなった。具体的には、出力の低下や、発振波長スペクトルが劣化を引き起こし、波長変換レーザ光源の基本波として使用する際に出力が大きく変動するという問題が生じる。図２２は、励起用ＬＤ電流を横軸に取った時のファイバレーザからの光出力をプロットしたいわゆるＩ‐Ｌカーブである、出力が７．５Ｗを超えたところで出力が低下していることが分かる。この出力が低下する電流値付近における、出力光の波長スペクトルを観測した結果、図２３Ａに示すように、ピークが割れていることが分かった。また、図２３Ｂに示すように、ピークがシフトしたり、ピークのシフトと共にピークの割れが観測されるような場合があることが分かった。また、現象が観測された出力値はファイバレーザからの光出力が２Ｗ以上で観測されていることが分かった。

この現象を解析した結果、ファイバ自体が環境温度と関係なく、強力な励起光により局所的に熱せられることで膨張し、ファイバグレーティング部に生じる応力が原因となり反射特性が変化することにより生じていることが判明した。この現象は、環境温度の変動とは無関係なため、従来の温度補償パッケージを用いて回避することは困難である。温調による温度制御を用いた場合、局所発熱のため、温度を一定に保つことが困難であり、ペルチェ素子を使用するような場合は大幅に消費電力が増加してしまう。

図２４Ａは、本実施の形態のダブルクラッドファイバに形成されたファイバグレーティングの保持部の模式図であり、図２４Ｂは、図２４ＡのＡ‐Ａ´部の断面図、図２４Ｃは、図２４ＡのＢ‐Ｂ´部の断面図である。ファイバグレーティング１４０２が形成されたダブルクラッドファイバ１４０１の一端は、保持部材１４０３に接着剤１４０５で直接固定されているが、もう一端はスリーブ１４０４を介して接着剤１４０５で固定されている。接着剤１４０５は、屈折率１．３９のＵＶ硬化樹脂を使用している。ファイバグレーティング１４０２が保持部材１４０３に接触しないように、保持部材１４０３に溝あるいはくぼみが設けられている。ファイバグレーティング１４０２が保持部材４０３に接触することで、上記の図２３ＡおよびＢに示したような、波長スペクトルの異常が生じるため、このようなくぼみを設けている。

ファイバ１４０１の一端をスリーブ１４０４を介して固定することにより、ファイバ１４０１は自由に動くことができる。つまり、ファイバグレーティング１４０２の一端を固定端とし、もう一方を自由端とすることにより、ファイバ１４０１が熱により膨張した場合においても、ファイバ１４０１自体は自由に伸びることができるため、ファイバグレーティング１４０２に応力が掛からず、ファイバグレーティング１４０２の反射特性異常を回避することができる。

また、ファイバ１４０１はダブルクラッドファイバを用いているが、強い励起光強度でレーザを励起した（強励起）際に今回問題となっていた現象が顕著に表れるためである。もちろん、通常のシングルクラッドファイバを用いても効果は得られるが、ダブルクラッドファイバに適用した場合の方が大きな効果が得られる。

また、ファイバ１４０１が自由に収縮するためにはファイバ１４０１の固定端を、図２５に示すように、Ｙｂドープファイバ１１０３側とすることが望ましい。

また、ファイバグレーティング１４０２は、ファイバの被覆がない状態（いわゆるリコートをしない状態）であることが望ましい。

また、組立後、ファイバグレーティング１４０２への塵の付着を防止するために、保持部材１４０３全体を覆うカバーを設けることが望ましい。

本実施の形態では、ファイバ１４０１の自由端の保持にスリーブ１４０４を設けたが、必ずしもスリーブである必要はなく、ファイバ１４０１が自由に収縮できる構造であることが重要である。

図２６に、本実施の形態のファイバグレーティング保持部材を使用した際のファイバレーザのＩ‐Ｌ特性を示す。上記の図２２のような出力低下もなく、良好な特性が得られている。また、波長スペクトルにおいても、図２７に示すように、ピークの割れなどは全く観測されなかった。

図２８に、本実施の形態のファイバグレーティング保持部材を使用したファイバレーザから発せられる光を基本波として、第２高調波発生を行った結果を示す。波長変換素子には分極反転ニオブ酸リチウム素子を使用しており、この波長変換素子はペルチェ素子で温度管理されている。この結果、８Ｗの基本波入力に対し３Ｗ以上の緑色光発生を確認することができた。この程度のパワーがあれば、１０００ｌｍ以上のフロントプロジェクタを構成することが可能となり、実用的なディスプレイを構成することができる。

また、本実施の形態では、プレート状の保持部材を使用したが、図２９に示すように、円筒状の保持部材１４０３を使用することももちろん可能である。図２９において、自由端を実現するのにファイバ１４０１はスリーブ１４０４を介して固定しているが、ファイバグレーティング１４０２が保持部材１４０３に触れなければ、接着剤等で固定せず全くフリーの状態であっても同様の効果が得られる。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態は、上記の実施の形態５のファイバグレーティング保持部材をファイバグレーティングを１つだけ使用する波長変換装置に適用させた形態である。図３０は、本実施の形態における波長変換装置の構成を示す図である。図３０において、本実施の形態の波長変換装置２０２１は、ファイバレーザ２０２２と、ファイバレーザ２０２２から出射される基本波２０２３を高調波出力２０２４に変換する波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂと、から構成されている。

なお、本実施の形態における波長変換装置は、上記の実施の形態１〜４と同様、２つの波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂを備えており、いわゆる２段構成となっている。２つの波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂは、コントローラ２０３７に接続されており、２つの波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂからの出力値の合算値の一定値制御がなされている。

ファイバレーザ２０２２は、図３０の破線で囲んだものから構成されている。主な構成要素としては、ファイバ２０２６に励起光２０２７を入射するレーザ光源２０２８、レーザ活性物質を含み一部にファイバグレーティング２０２９が形成されたファイバ２０２６からなるレーザ共振器およびファイバ２０２６から出射される基本波２０２３を波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂの方向に取り出す取り出しミラー２０３０である。ファイバ２０２６からなるレーザ共振器は、ファイバグレーティング２０２９とファイバ２０２６の端面に形成された第２の反射面２０３３を一組の反射面として基本波２０２３を増幅して出射する。

すなわち、ファイバレーザ２０２２は、ファイバ２０２６に入射する励起光２０２７を出力するレーザ光源２０２８と、基本波の波長を選択して基本波を反射するファイバグレーティング２０２９が内部に形成されたファイバ２０２６と、出力である基本波２０２３を波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂに導く取り出しミラー２０３０と、から構成されている。取り出しミラー２０３０は、励起光２０２７を透過してレーザ光源２０２８とファイバ２０２６を結びつけ、かつ、ファイバ２０２６から出射する基本波２０２３を反射して波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂに導く機能を果たしている。ファイバレーザ２０２２のレーザ共振器の一方の反射面としてファイバグレーティング２０２９を適用することで、任意の反射中心波長を選択することが可能となり、発振中心波長を任意に選択できる上、波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂの要求する波長帯域０．０５〜０．２ｎｍの基本波を発生することができる。誘電体多層膜を用いた反射ミラーでは、この帯域とすることは困難であり、誘電体多層膜のような帯域の広い反射面を用いた場合、ファイバのゲインが高い発振波長で発振する（発振しやすい発振波長で発振する）ため、任意に波長選択することも困難であり、発振波長が不安定になる原因となる。

また、レーザ共振器をファイバ２０２６内に閉じた系とし、外部からの塵あるいは反射面のミスアライメントなどで共振器の損失が増加することによる出力の経時低下や出力変動を抑制することができる。

次に、ファイバレーザ２０２２の基本のレーザ動作について説明する。図３０において、ピッグテイル型のレーザ光源２０２８からの励起光２０２７は、レーザ光源２０２８に付属したファイバ２０３１中を伝搬したのち、コリメートレンズ２０３２ａで平行光に変換された状態で取り出しミラー２０３０を透過する。さらに、励起光２０２７は集光レンズ２０３２ｂにより集光されて、ファイバ２０２６の第２の反射面２０３３よりファイバ２０２６に入射する。入射した励起光２０２７はファイバ２０２６に含まれるレーザ活性物質で吸収されつつファイバ２０２６中を伝搬する。励起光２０２７はファイバグレーティング２０２９を通過したのち、第１の反射面２０３４で反射されてファイバ２０２６の中を折り返してレーザ活性物質で吸収されつつ伝搬し、第２の反射面２０３３に到達するまでに１往復してほぼレーザ活性物質に吸収されて消失する。従来はファイバ内を一方向に伝搬しつつ励起光が吸収されるだけなので、基本波を増幅するゲインは励起光が伝搬していく方向に進行するに従い減少していく。一方、本実施の形態では、励起光２０２７はファイバ２０２６内を折り返して一往復して吸収されるので、基本波を増幅するゲインは従来に比べてファイバ２０２６内で一様に高くなる。

本実施の形態では、励起光２０２７がファイバ２０２６の中を一往復してほぼ全て吸収され、ファイバ２０２６内で基本波を増幅するゲインが一様に高くなった状態で、基本波２０２３の種光がファイバ２０２６の内部で発生する。この基本波の種光は、ファイバ２０２６の第２の反射面２０３３とファイバグレーティング２０２９をレーザ共振器の一組の反射面として、このレーザ共振器の中を増幅されて強度を増しつつ何度も反射して往復しレーザ発振に至る。

本実施の形態で用いたファイバ２０２６は、例えば、高出力の励起光２０２７を伝搬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用した。したがって、励起光２０２７はファイバ２０２６のコアと内側のクラッドの比較的広い領域を伝搬して、ファイバ２０２６に含まれるレーザ活性物質により吸収される。また、広い範囲を伝搬することができるので高出力の励起光２０２７を用いることもできる。

ファイバ２０２６から出力される基本波２０２３は、第２の反射面２０３３から出射した後、集光レンズ２０３２ｂにより平行光に変換されて取り出しミラー２０３０に到達する。取り出しミラー２０３０の表面には、波長選択用の多層膜２０３５が形成されている。多層膜２０３５は励起光２０２７の波長の光は透過し、基本波２０２３の波長の光は反射するように構成されているので、基本波２０２３は取り出しミラー２０３０の多層膜２０３５上で反射されて波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂに導かれる。

本実施の形態において、取り出しミラー２０３０は狭帯域透過フィルタである構成として励起光２０２７に対して、例えば、４０〜５０度の角度で挿入するのが望ましい。４０〜５０度で挿入するのは取り出しミラー２０３０で反射する励起光２０２７の一部がレーザ光源２０２８に戻らないようにするためであり、ファイバレーザ２０２２から出射される光と波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂから出射される光路とを直角にすることができるため、モジュール化する場合よりコンパクトにすることができるためである。励起光２０２７の一部がレーザ光源２０２８に戻るのを防ぐためやフィルタの透過特性から考えた場合、８０度程度の角度で挿入するのでもよい。また、取り出しミラー２０３０とは別個に狭帯域透過フィルタを取り出しミラー２０３０とコリメートレンズ２０３２ａとの間に挿入してもよい。

このような構成にすると、例えば、ファイバ２０２６をＹｂドープファイバとした場合に、透過フィルタの透過波長を９１５ｎｍや９７６ｎｍのＹｂドープファイバの吸収のピーク波長に合わせることができる。しかも、透過波長の９１５ｎｍや９７６ｎｍを中心に２〜３ｎｍの狭帯域の半値幅しかもたないこととなる。励起光２０２７がこのような狭帯域の光となって取り出しミラー２０３０を透過して光ファイバ２０２６に入射するとき、励起光２０２７の一部がファイバ２０２６の端面である第２の反射面２０３３で反射される。反射された励起光２０２７の一部は同じ光路を逆に進行してレーザ光源２０２８に帰還して、レーザ光源２０２８の発振波長はこの帰還した励起光２０２７の一部である狭帯域の光でロックされる。そもそも励起用レーザ光源２０２８はマルチモードで発振するため比較的広い５ｎｍ以上の波長半値幅を持つが、このように透過型フィルタなどの波長を狭帯域にロックする光学部品を用いると波長半値幅が２〜３ｎｍの狭帯域のレーザ光源になる。このような効果により、励起光２０２７の波長の半値幅が小さくなり、レーザ光源自体の効率も向上する上、励起光２０２７がファイバレーザ２０２２でより効率よく吸収され、励起光２０２７から基本波２０２３への光出力の変換がさらに高効率で実現できる。また、吸収効率が高くファイバ長をより短くすることができるため１０３０ｎｍ以下の波長を発生させる際に使用することより高効率なファイバレーザを作製できる。なお、このときにファイバ２０２６の端面である第２の反射面２０３３での励起光２０２７の反射率は少なくとも３〜８％程度に設定されていることが望ましく、励起用レーザ光源２０２８のエミッタ幅は、発振するモードの数が少ない方が波長ロックを行いやすくなるため、５０〜２００μｍ、より望ましくは５０〜１００μｍ程度であることが望ましい。

また、波長変換素子２０２５ａおよび２０２５ｂは温度調節機構（ペルチェ素子とサーミスタ）２０３８ａおよび２０３８ｂ上に固定されており、コントローラ２０３７でコントロールされている。また励起用レーザ光源２０２８は、ＬＤ電流源２０３９で駆動されている。

ところで、本実施の形態の波長変換装置２０２１では、ファイバ２０２６の長さを従来の約半分としている。励起光を端面で折り返し、ファイバ２０２６にすべて吸収させた場合、基本波光の発振出力は上記の実施の形態５の場合と比較して１０％程度増加する。本実施の形態の場合、励起光２０２７を第１の反射面２０３４で折り返して、ファイバ２０２６の中を１往復する間に全て吸収してしまう。励起用レーザ光源２０２８には波長９１５ｎｍのレーザを用い、光出力９Ｗの励起光２０２７をファイバ２０２６の端面から注入し、１０６４ｎｍの基本波が発生する場合にファイバ２０２６の長さを変えて１０６４ｎｍの基本波の光出力を測定した。

測定の結果、実施の形態５の構成でのファイバの最適な長さは１７ｍであったが、本実施の形態でのファイバの最適な長さは７．５ｍであることがわかった。このことからも本実施の形態では従来の構成に比べてファイバの長さが半分以下でよいことがわかる。なお、本実施の形態でのファイバの最適な長さでの光出力は、実施の形態５の構成での最適な長さでの光出力に比べて２０％程度大きいことがわかった。このことより、発振した光がファイバを１往復する間に効率よく増幅されることで、基本波に対するゲインが高くなっていると考えられる。発振した光強度を入力した励起光強度で割り算して算出する「光‐光変換効率」では、実施の形態５の場合４１．３％であったのに対し、本実施の形態で提案した発振光折り返し構成としただけで、５０．２％まで向上し、励起光を反射するための反射面２０３４を設けたことにより５４．７％まで向上させることができた。

このファイバを一例として用いて波長変換装置２０２１を動作させたところ、光出力９Ｗの励起光でファイバを励起し、基本波出力が６．３Ｗのときに１．５ＷのＧ光が安定に得られた。さらに、基本波出力を増加すると緑色光の変換効率が大きく改善されると考えられる。以上に説明した構成により、本実施の形態のファイバレーザ２０２２は、従来のファイバの半分の長さで励起光をほぼ全て吸収でき、かつ、基本波の増幅区間が長くなったため、基本波を増幅するのに一様な高いゲインを得ることができる。また、ファイバの長さが半分にできるのでファイバレーザ２０２２をコンパクトにすることができ、高出力の基本波が得られ、かつ、波長変換装置２０２１を小型にすることができる。

さらに、本実施の形態のファイバレーザ２０２２は、従来の半分の長さのファイバで構成できる。したがって、ファイバレーザ２０２２の基本波の吸収量も半分になるので、光吸収量の多い短波長側での吸収量も半分となり、発振波長域を１０３０〜１１７０ｎｍに拡大させることができる。例えば、１０６４ｎｍよりも短波長の１０３０ｎｍの基本波のレーザ光が高出力で出力することができるようになり、ディスプレイに応用した際に色再現範囲を拡大することが出来るという利点がある。

また、本実施の形態の場合ファイバグレーティング２０２９は、ダブルクラッドファイバである必要があるが、その場合、強力な励起光が透過するために実施の形態５に記載したような、出力低下や波長スペクトル変動が観測されていた。本実施の形態では、ダブルクラッドファイバへ形成されたファイバグレーティング２０２９の一端が上記の実施の形態５の保持部材に固定されている。本実施の形態の構成とすることで、このような問題は発生せず、電気‐光変換効率の向上および、より短波長の光の発生と波長スペクトルや出力の安定化を両方実現することが可能となる。

本実施の形態では、透過型液晶素子を用いた空間変調素子を用いたが、微少反射素子を用いた変調素子やガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元変調素子を用いることももちろん可能であり、平面上の導光機構に光を導波させ大型の液晶パネルの裏面より照明することでバックライトとしても用いることが可能である。

上記の実施の形態５〜６において、ファイバレーザは、他の希土類元素、例えば、Ｎｄ、Ｅｒ等から選択された少なくとも１つの希土類元素を用いてもよいが、希土類元素としてＹｂをドープしたものを用いたものは、ゲインがブロードなため１０３０〜１１７０ｎｍと発振波長範囲が非常に広いため様々な光源に使用できるという特徴を持っており、非常に望ましい。また、波長変換装置の波長や出力に応じて希土類元素のドープ量を変えたり、複数の希土類元素をドープしたりしてもよい。

上記の実施の形態５〜６において、希土類添加ファイバのコア径として６μｍの物を選択したが、８μｍ以上とすることで、効率がより改善されることが今回分かった。６μｍの場合と比較して８μｍで１．２倍、１０μｍで１．４倍効率が向上するため、コア径は８μｍ以上であることが望ましい。あまりコア径が大きいと発振した光がシングルモード条件を外れるためコア径の範囲は８〜１２μｍの範囲であることが望ましい。

上記の実施の形態５〜６において、ファイバレーザの励起用レーザ光源には、波長９１５ｎｍおよび波長９７６ｎｍのレーザを用いたが、ファイバレーザを励起できるものであれば、これらの波長以外のレーザ光源を用いてもよい。

上記の実施の形態５〜６において、波長変換素子は周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３を用いたが、他の材料や構造の波長変換素子、例えば、周期的に分極反転構造を有するリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ_３等を用いてもよい。

上記の実施の形態５〜６において、このような構成の画像表示装置のほかに、スクリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクションディスプレイ）や大型液晶パネルに背面から光を照射するバックパネルの形態をとることも可能である。

上記の実施の形態５〜６において、超小型ミラーが集積された反射型空間変調素子を用いたが、液晶を用いた変調素子やガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元変調素子を用いることももちろん可能である。

上記の実施の形態５〜６において、反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラーといった光変調特性に対する偏光成分の影響が少ない光変調素子の場合、高調波を伝搬する光ファイバはＰＡＮＤＡファイバなどの偏波保持ファイバである必要はないが、液晶を用いた２次元変調デバイスを使用する際には、変調特性と偏光特性が大いに関係するため、偏波保持ファイバを使用することが望ましい。

上記の各実施の形態から本発明を要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明の一局面に従う波長変換装置は、レーザ光源から出射される励起光を発振させて、基本波を出射するレーザ共振器と、前記レーザ共振器から出射される基本波を高調波に変換する第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子の温度を制御する第１の温度制御素子と、前記第１の波長変換素子に入射される基本波のうちで前記第１の波長変換素子により高調波に変換されないで前記第１の波長変換素子から出射される基本波を高調波に変換する第２の波長変換素子と、前記第２の波長変換素子の温度を制御する第２の温度制御素子と、前記第１の波長変換素子から出射される高調波の出力を検出する第１の検出部と、前記第２の波長変換素子から出射される高調波の出力を検出する第２の検出部と、前記第１の温度制御素子による前記第１の波長変換素子の温度制御、前記第２の温度制御素子による前記第２の波長変換素子の温度制御、および、前記レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値制御を管理するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記第１の検出部による第１の検出値と前記第２の検出部による第２の検出値とを合算し、当該合算値を基にして前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行う。

上記の波長変換装置では、第１の検出部による第１の検出値と第２の検出部による第２の検出値との合算値を基にして第１および第２の波長変換素子の温度制御が行われるので、第１の波長変換素子からの高調波の出力変動に依存して第２の波長変換素子からの高調波の出力変動が生じる場合であっても、２つの高調波の合算値の出力変動を効果的に抑制することができる。

前記コントローラは、前記合算値に基づく前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を実行する場合には、それまで実行していた前記レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値制御を中止して、前記駆動電流を一定値に維持して前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を実行することが好ましい。

この場合、それまで実行していた駆動電流の電流値制御を中止し、駆動電流を一定値にして第１および第２の波長変換素子の温度を制御するので、第１および第２の波長変換素子の温度制御をより精度良く実行することが可能となり、２つの波長変換素子を有することに起因する制御回路の暴走を制御することが可能となる。

前記レーザ共振器は、レーザ活性物質を含むダブルクラッドシングルモードファイバと、ファイバグレーティングが形成されたファイバと、前記ファイバに励起光を入射する前記レーザ光源と、を有することが好ましい。

この場合、ファイバグレーティングが形成されたファイバと励起光により励起されるダブルクラッドシングルモードファイバとを別々に作製することができるので、それぞれ要求される特性に応じた構成を実現することができる。

前記第１および第２の波長変換素子の保持温度の範囲は、３５〜８０℃であり、前記第１および第２の温度制御素子は、ペルチェ素子であり、前記コントローラは、前記ペルチェ素子に印加される電流の極性を反転させることなく、前記第１および第２の波長変換素子の温度の上昇または下降を行うことが好ましい。

この場合、第１および第２の波長変換素子の保持温度を室温より高めの３５〜８０℃とすることにより、ペルチェ素子に印加される電流の極性を反転させることなく、第１および第２の波長変換素子の温度の上昇または下降を行うことができるので、第１および第２の波長変換素子の温度制御を高速に行うことができる。

前記第１および第２の波長変換素子の保持温度の範囲は、８０〜２００℃であり、前記第１および第２の温度制御素子は、ヒーターであり、前記コントローラは、前記第１および第２の波長変換素子の温度上昇の際には前記ヒータを発熱させて、前記第１および第２の波長変換素子の温度下降の際には前記ヒータの発熱を中止することが好ましい。

この場合、第１および第２の波長変換素子の保持温度を８０〜２００℃とすることにより、安価なヒーターを用いて、第１および第２の波長変換素子の温度制御を実現することができる。

前記コントローラは、前記第１および第２の温度制御素子に前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行うための制御電流を供給することにより前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行っており、前記制御電流の波形は、パルス幅変調されることが好ましい。

この場合、制御電流の波形のパルス幅を調整することにより、第１および第２の温度制御素子に供給される制御電流の電流値の平均値を任意に変化させることができる。この結果、第１および第２の波長変換素子の温度制御を精度良く行うことができる。

前記コントローラは、前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行う際に、前記レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値に対応する、前記第１および第２の検出値を記録する記憶部、を有することが好ましい。

この場合、レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値の変化に伴って第１および第２の検出値が記録されるので、この記録された情報を参照しながら第１および第２の波長変換素子の温度制御を効率よく行うことができる。

前記レーザ共振器内の温度を検出する温度検出部、をさらに備え、前記記憶部は、前記コントローラが前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行う際に、前記温度検出部により検出された温度に対応する、前記第１および第２の検出値を記録することが好ましい。

この場合、レーザ共振器内の温度が検出されるので、検出されたレーザ共振器内の温度に応じて、第１および第２の波長変換素子の温度制御を行うことができるので、第１および第２の波長変換素子の温度制御を簡略化することができる。

前記コントローラは、前記第１および第２の検出値のそれぞれの増減に応じて前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行うことにより、前記第１および第２の検出値の合算値における出力変動を抑制することが好ましい。

この場合、第１および第２の検出値のそれぞれの増減に応じて適切な温度制御を第１および第２の波長変換素子に行うことができる。

前記コントローラは、前記第１の検出値が増加または減少し、かつ、前記第２の検出値の増減方向が前記第１の検出値の増減方向と異なる場合、または、前記第１の検出値が増加または減少し、かつ、前記第２の検出値が一定である場合には、前記第１の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値の合算値を変化させた後、当該変化させた合算値が所定値に回復しているか否かを判定し、前記所定値に回復していないとの判定結果に応じて前記第２の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値の合算値をさらに変化させることにより、前記第１および第２の検出値の合算値における出力変動を抑制することが好ましい。

この場合、第１の波長変換素子の温度と第２の波長変換素子の温度とを逆方向に変化させることができるので、第１および第２の検出値の合算値における出力変動を効果的に抑制することができる。

前記コントローラは、前記第１および第２の検出値が増加または減少し、かつ、前記第１の検出値の増減方向と前記第２の検出値の増減方向とが同じである場合には、前記第１および第２の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値を個別に変化させることにより、前記第１および第２の検出値の合算値における出力変動を抑制することが好ましい。

この場合、第１の波長変換素子の温度と第２の波長変換素子の温度とを同じ方向に変化させることができるので、第１および第２の検出値の合算値における出力変動を効果的に抑制することができる。

前記コントローラは、前記第２の検出値が増加または減少し、かつ、前記第１の検出値が一定である場合には、前記第２の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値の合算値を変化させることにより、前記第１および第２の検出値の合算値における出力変動を抑制することが好ましい。

この場合、第２の波長変換素子の温度だけを変化させることができるので、第１および第２の検出値の合算値における出力変動を効果的に抑制することができる。

前記第１および第２の波長変換素子から出射される高調波は、５１０〜５５０ｎｍの緑色光であることが好ましい。

この場合、Ｗ級の高出力の緑色光を得ることができる。

前記第１および第２の波長変換素子は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｎｄのうちの少なくとも１つを含むＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３からなる非線形光学結晶で構成されることが好ましい。

この場合、第１および第２の出力値が位相整合温度の９５〜８５％となり、かつ、位相整合温度より高温側を、待機位置として温度制御を行なうことできる。この結果、第１および第２の波長変換素子の温度変化に対する出力変動を軽減することができ、このため、第１および第２の波長変換素子の温度制御を簡略化することができる。

本発明の他の局面に従う画像表示装置は、上記の波長変換装置と、前記波長変換装置から出射されるレーザに画像信号を印加する画像処理部とを備え、前記波長変換装置は、緑色光を発生させる緑色レーザ光源であり、赤色光を発生させる赤色レーザ光源と、青色光を発生させる青色レーザ光源とをさらに備え、前記画像処理部は、前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源のうち最大出力値が最小のレーザ光源の最大出力値を基にして他の２つのレーザ光源の出力上限値を決定することにより、表示させる画像のホワイトバランスを設定する。

上記の画像表示装置では、最大出力値が最小のレーザ光源にあわせて他の２つのレーザ光源の出力値を設定すればよいので、ホワイトバランスの調整の容易化を図ることができる。

前記画像処理部は、前記決定された出力上限値を上限とし、入力される映像信号の輝度信号に応じて前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源の各出力値を変化させることが好ましい。

この場合、決定された出力上限値を上限として各レーザ光源の出力値を変化させるので、レーザ光源の劣化を招くおそれが無くなる。

前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源の各出力値がゼロとなる各レーザ光源の駆動電流の電流値は、前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源の各閾値電流以上であることが好ましい。

この場合、各レーザ光源の駆動電流の電流値は閾値を跨いで変化することが無くなるので、レーザ光源に大きな突入電流が発生することが防止され、レーザ光源を劣化させることも無くなる。

本発明の他の局面に従う波長変換装置は、ファイバに励起光を入射するレーザ光源と、レーザ活性物質を含む光ファイバおよびファイバグレーティング固定部材に固定された２つのファイバグレーティングからなるレーザ共振器と、前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記２つのファイバグレーティングのうち少なくとも１つのファイバグレーティングの一端が前記ファイバグレーティング保持部材に接着されており、もう一端は自由端である。

前記２本のファイバグレーティングのうち少なくとも１本がダブルクラッドファイバに形成されており、その１本のファイバグレーティングが光学的に励起用レーザ光源と近い位置に配置されていることが好ましい。

本発明の他の局面に従う波長変換装置は、ファイバに励起光を入射するレーザ光源と、レーザ活性物質を含む光ファイバおよびファイバグレーティング固定部材に固定された１つのファイバグレーティングと誘電体膜反射面からなるレーザ共振器と、前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記２つのファイバグレーティングのうち少なくとも１つのファイバグレーティングの一端が前記ファイバグレーティング保持部材に接着されており、もう一端は自由端である。

前記ファイバグレーティングがダブルクラッドファイバに形成されていることが好ましい。

前記ファイバグレーティングの自由端においてスリーブを介して保持されていることが好ましい。

前記ファイバのコア径が８〜１４μｍであることが好ましい。

前記光ファイバに含まれるレーザ活性物質がイッテルビウムイオンであり、発振波長が１０５０〜１１７０ｎｍであることが好ましい。

前記光ファイバに含まれるレーザ活性物質がイッテルビウムイオンであり、発振波長が１０３０〜１０７０ｎｍであることが好ましい。

発振光の偏光方向が直線偏光であり、発振波長における光出力が２Ｗ以上であることが好ましい。

前記ファイバグレーティングの固定端がレーザ活性物質を含む光ファイバ側に設けられていることが好ましい。

前記ファイバグレーティングにおいて、ファイバグレーティング部が再被覆されていないことが好ましい。

前記ファイバグレーティングにおいて、前記ファイバグレーティング部を防塵する保持部材カバーを有していることが好ましい。

本発明の他の局面に従う画像表示装置は、上記の波長変換装置を備える。

本発明によれば、ファイバグレーティングにより波長が選択されたファイバレーザ光源と波長変換素子とを組み合わせて得られた波長変換装置、および、それを用いた画像表示装置の光出力の安定化に有用である。また、本発明によれば、赤色光の光出力を安定化させることが可能となり、画像表示装置の色合いを安定化させることができる。

本発明の実施の形態１にかかる波長変換装置を用いた２次元画像表示装置の構成を示す図である。 緑色レーザ光源の構成を示す図である。 図３Ａは、ファイバレーザの環境温度に対する発振波長の関係を示す図、図３Ｂは、基本波の波長スペクトル（波線）と波長変換素子の位相整合波長スペクトル（実線）との関係を示す図である。 コントローラの構成を示す図である。 波長変換素子の立ち上げ動作の処理手順を示すフローチャートである。 図６Ａは、波長変換素子の温度特性と立ち上げ動作後の待機位置を示す図、図６Ｂは、温度と位相整合波長との関係を示す図、図６Ｃは、温度と位相整合波長との他の関係を示す図である。 図７Ａは、緑色光の出力値の一定値制御の処理手順を示すフローチャート、図７Ｂは、図７ＡのステップＳ２０４で用いられる判定基準の内容を示す図である。 サブルーチンＡの処理を説明するためのフローチャートである。 サブルーチンＢの処理を説明するためのフローチャートである。 サブルーチンＣの処理を説明するためのフローチャートである。 山越え復帰動作の処理を説明するためのフローチャートである。 緑色光出力が低下した場合における各値を時系列に表す図である。 本発明の実施の形態２の波長変換素子の温度特性とその立ち上げ動作後の波長変換素子の温度の待機位置との関係を表す図である。 緑色光の出力値の一定値制御の処理手順を示すフローチャートである。 図１５Ａ〜Ｃは、緑色光の出力強度とペルチェ電流値との関係を示す図である。 図１６Ａは、赤色ＬＤの温度に対する出力特性を示す図、図１６Ｂは、温度に対する波長特性を示す図である。 図１７Ａは、赤色レーザ光源の構成を示す図、図１７Ｂは、赤色ＬＤの監視動作時の処理を説明するためのフローチャートである。 図１８Ａ〜Ｃは、電流‐出力値テーブルの内容を説明するための図である。 ホワイトバランスが取れるカーブを３次元座標で表した模式図である。 図２０Ａ〜Ｃは、ライトコントロールを行った場合の各色の出力調整を示す模式図で、図２０Ａは、赤色で制限される場合を示す図、図２０Ｂは、緑色で制限される場合を示す図、図２０Ｃは、青色で制限される場合を示す図である。 本発明の実施の形態５における波長変換装置の構成を示す図である。 励起用ＬＤ電流とファイバレーザの出力との関係を示す図である。 図２３ＡおよびＢは、波長スペクトルの劣化を説明するための図である。 図２４Ａは、本発明の実施の形態５の保持部の模式図であり、図２４Ｂは、図２４ＡのＡ‐Ａ´部の断面図、図２４Ｃは、図２４ＡのＢ‐Ｂ´部の断面図である。 ファイバの固定端の位置を説明するための図である。 ファイバレーザの出力特性を示す図である。 ファイバレーザの波長スペクトルを示す図である。 基本波入力と緑色光出力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態５の他の保持部の模式図である。 本発明の実施の形態６における波長変換装置の構成を示す図である。 従来の波長変換装置の概略構成を示す図である。

Claims (17)

1. レーザ光源から出射される励起光を発振させて、基本波を出射するレーザ共振器と、
   前記レーザ共振器から出射される基本波を高調波に変換する第１の波長変換素子と、
   前記第１の波長変換素子の温度を制御する第１の温度制御素子と、
   前記第１の波長変換素子に入射される基本波のうちで前記第１の波長変換素子により高調波に変換されないで前記第１の波長変換素子から出射される基本波を高調波に変換する第２の波長変換素子と、
   前記第２の波長変換素子の温度を制御する第２の温度制御素子と、
   前記第１の波長変換素子から出射される高調波の出力を検出する第１の検出部と、
   前記第２の波長変換素子から出射される高調波の出力を検出する第２の検出部と、
   前記第１の温度制御素子による前記第１の波長変換素子の温度制御、前記第２の温度制御素子による前記第２の波長変換素子の温度制御、および、前記レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値制御を管理するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記第１の検出部による第１の検出値と前記第２の検出部による第２の検出値とを合算し、当該合算値が一定の値となるように、前記第１および第２の検出値のそれぞれの増減に応じて前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行うことを特徴とする波長変換装置。
2. 前記コントローラは、前記合算値に基づく前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を実行する場合には、それまで実行していた前記レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値制御を中止して、前記駆動電流を一定値に維持して前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記レーザ共振器は、レーザ活性物質を含むダブルクラッドシングルモードファイバと、ファイバグレーティングが形成されたファイバと、前記ファイバに励起光を入射する前記レーザ光源と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
4. 前記第１および第２の波長変換素子の保持温度の範囲は、３５〜８０℃であり、
   前記第１および第２の温度制御素子は、ペルチェ素子であり、
   前記コントローラは、前記ペルチェ素子に印加される電流の極性を反転させることなく、前記第１および第２の波長変換素子の温度の上昇または下降を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
5. 前記第１および第２の波長変換素子の保持温度の範囲は、８０〜２００℃であり、
   前記第１および第２の温度制御素子は、ヒーターであり、
   前記コントローラは、前記第１および第２の波長変換素子の温度上昇の際には前記ヒータを発熱させて、前記第１および第２の波長変換素子の温度下降の際には前記ヒータの発熱を中止することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
6. 前記コントローラは、前記第１および第２の温度制御素子に前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行うための制御電流を供給することにより前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行っており、
   前記制御電流の波形は、パルス幅変調されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
7. 前記コントローラは、前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行う際に、前記レーザ光源へ印加される駆動電流の電流値に対応する、前記第１および第２の検出値を記録する記憶部、を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
8. 前記レーザ共振器内の温度を検出する温度検出部、をさらに備え、
   前記記憶部は、前記コントローラが前記第１および第２の波長変換素子の温度制御を行う際に、前記温度検出部により検出された温度に対応する、前記第１および第２の検出値を記録することを特徴とする請求項７に記載の波長変換装置。
9. 前記コントローラは、前記第１および第２の検出値のそれぞれの増減に応じて前記第１および第２の波長変換素子のうち、温度制御を行うべき一方または双方の波長変換素子を特定することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
10. 前記コントローラは、前記第１の検出値が増加または減少し、かつ、前記第２の検出値の増減方向が前記第１の検出値の増減方向と異なる場合、または、前記第１の検出値が増加または減少し、かつ、前記第２の検出値が一定である場合には、前記第１の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値の合算値を変化させた後、当該変化させた合算値が所定値に回復しているか否かを判定し、前記所定値に回復していないとの判定結果に応じて前記第２の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値の合算値をさらに変化させることにより、前記第１および第２の検出値の合算値における出力変動を抑制することを特徴とする請求項９に記載の波長変換装置。
11. 前記コントローラは、前記第１および第２の検出値が増加または減少し、かつ、前記第１の検出値の増減方向と前記第２の検出値の増減方向とが同じである場合には、前記第１および第２の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値を個別に変化させることにより、前記第１および第２の検出値の合算値における出力変動を抑制することを特徴とする請求項９または１０に記載の波長変換装置。
12. 前記コントローラは、前記第２の検出値が増加または減少し、かつ、前記第１の検出値が一定である場合には、前記第２の波長変換素子の温度制御により前記第１および第２の検出値の合算値を変化させることにより、前記第１および第２の検出値の合算値における出力変動を抑制することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の波長変換装置。
13. 前記第１および第２の波長変換素子から出射される高調波は、５１０〜５５０ｎｍの緑色光であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の波長変換装置。
14. 前記第１および第２の波長変換素子は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｎｄのうちの少なくとも１つを含むＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３からなる非線形光学結晶で構成されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の波長変換装置と、
    前記波長変換装置から出射されるレーザに画像信号を印加する画像処理部と
    を備え、
    前記波長変換装置は、緑色光を発生させる緑色レーザ光源であり、
    赤色光を発生させる赤色レーザ光源と、
    青色光を発生させる青色レーザ光源と
    をさらに備え、
    前記画像処理部は、前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源のうち最大出力値が最小のレーザ光源の最大出力値を基にして他の２つのレーザ光源の出力上限値を決定することにより、表示させる画像のホワイトバランスを設定することを特徴とする画像表示装置。
16. 前記画像処理部は、前記決定された出力上限値を上限とし、入力される映像信号の輝度信号に応じて前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源の各出力値を変化させることを特徴とする請求項１５に記載の画像表示装置。
17. 前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源の各出力値がゼロとなる各レーザ光源の駆動電流の電流値は、前記赤色レーザ光源、青色レーザ光源および緑色レーザ光源の各閾値電流以上であることを特徴とする請求項１６に記載の画像表示装置。

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