JP5214630B2 - 波長変換レーザ - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザの共振器内に波長変換素子を挿入する内部共振器型波長変換レーザに関するものである。

波長変換素子の非線形光学現象を用いて、基本波レーザの波長を、第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）、和周波（Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＦＧ）、差周波（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＤＦＧ）等の変換波に波長変換を行う波長変換レーザが開発されている。固体レーザの共振器内に波長変換素子を挿入する内部共振器型波長変換レーザは、共振器構造を利用するため、高効率の波長変換が可能であるという特徴をもつ。

固体レーザでも特に、サブｍｍ〜数ｍｍのレーザ結晶を用いたマイクロチップ固体レーザは、小型でＷクラスの出力が得られることから、様々な応用が期待されている。マイクロチップ固体レーザと内部共振器型波長変換レーザとの組み合わせは、半導体レーザで直接発振ができない波長領域や、ジャイアントパルスや高周波数が求められる領域での応用が試みられている。特に、映像分野や分析分野での応用が期待されている。

しかしながら、映像分野や照明分野などへの応用に対し、内部共振器型波長変換レーザは、スペクトル幅が狭く、スペックルノイズと呼ばれる斑点模様の干渉ノイズが発生するという課題がある。また、内部共振器型波長変換レーザでは、高効率の波長変換を可能とするため、固体レーザのシングルモード化及び狭帯域化が必要とされていた。

これまで、２種の固体レーザ結晶を用いた内部共振器型和周波発生の提案がある。例えば、特許文献１では、２種の固体レーザ媒質から発振する異なる波長のビームの共振光学系を偏光素子で合波し、合波した２波長のビームの和周波を波長変換素子により発生することが提案されている。また、特許文献２では、２種の固体レーザ結晶と３枚の反射鏡とを用いて、１枚の反射鏡を共有する２つの波長の共振器を構成し、非線形光学結晶により和周波混合を行う構成が提案されている。

また、縦マルチモード発振を行う波長変換レーザは、縦シングルモードレーザに対しスペックルノイズなどの干渉性ノイズが低減されているため、映像分野や照明分野での応用が可能である。内部共振器型波長変換レーザにおいては、固体レーザがマルチモードの発振を行う場合、変換効率が低下するという課題がある。特に、固体レーザの高出力時には、マルチモード化が進み、変換効率は低下する。また、内部共振器型波長変換レーザでは、波長変換効率が一般的に低く、レーザ出射窓の透過率のように波長変換効率を高く自由に設定できない。このため、内部共振器型波長変換レーザの高効率化には、共振器内の部材の内部損失の低減が必要となり、部材コストを高めるという問題もある。

また、マイクロチップ固体レーザでは、サブｍｍオーダのレーザ結晶を励起するため、半導体レーザの励起光をレーザ結晶に集光する。マイクロチップ固体レーザは、レーザ結晶の励起光の吸収長が短いため、レーザ結晶の発熱箇所が集中し、高出力時に効率が低下し、不安定になるという課題がある。このため、安定した動作には温度調節が必要となり、取り扱いを困難としていた。また、内部共振器型波長変換レーザでは、マルチモード発振するレーザ共振器内に非線形光学結晶を挿入することによって生じるＧｒｅｅｎ Ｐｒｏｂｌｅｍと呼ばれる激しいモード競合ノイズが発生し、出力が不安定になるという課題がある。

安定したマルチモードの内部共振器型波長変換レーザを実現するために、特許文献３では、レーザ結晶に分割された励起光を照射し、１つの共振器で複数の光軸のレーザ光を発振させ、各光軸のレーザ光の第２高調波を発生させる構成が提案されている。複数の独立した光軸のレーザ光を有することにより、外乱などに強く、安定するという。

特開２００４−２７９７３９号公報 特開２００６−６６４３６号公報 特開２００７−７３５５２号公報

しかしながら、上記の従来提案されている２種の固体レーザ結晶を用いた内部共振器型和周波発生の構成では、和周波発生を行うことはできるが、他の波長変換を行うことはできない。このため、複数波長の波長変換光を得ることはできない。また、高出力時や複数波長の発振時に生じると考えられるモード競合ノイズが考慮されていない。さらに、内部共振器型波長変換レーザでは、波長変換効率が一般的に低く、レーザ出射窓の透過率のように、高い波長変換効率を自由に設定できない。このため、内部共振器型波長変換レーザの高効率化には、共振器内の部材から発生する内部損失の低減が必要となり、部材コストなどを高めるという課題もある。

また、上記の従来のマルチモードの内部共振器型波長変換レーザでは、複数の光軸でレーザ光を発振させて各光軸で独立に波長変換を行うため、１つの光軸で波長変換を行うのに対し、変換効率が低下するという課題がある。また、安定性を得るためには、多くのレーザ光軸を有する必要があり、出射したビームの扱いが難しくなる。また、温度制御が必要である。

本発明の目的は、波長変換効率が高く且つスペクトル幅の広い低コヒーレントな小型の波長変換レーザを提供することである。

本発明の一局面に従う波長変換レーザは、共振器を有する固体レーザと、前記共振器内に配置される波長変換素子とを備え、前記固体レーザは、少なくとも２種類以上のレーザ結晶を含み、複数の波長の固体レーザ光を発振し、前記波長変換素子は、前記複数の波長の固体レーザ光を複数の波長の第２高調波及び和周波に変換し、前記複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に発生させる。

この波長変換レーザにおいては、固体レーザが少なくとも２種類以上のレーザ結晶を含み、複数の波長の固体レーザ光を発振し、波長変換素子が複数の波長の固体レーザ光を複数の波長の第２高調波及び和周波に変換し、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に発生させるので、波長変換効率が高く且つスペクトル幅の広い低コヒーレントな小型の波長変換レーザを実現することができる。

本発明の実施の形態１における波長変換レーザの概略構成図である。 図１に示す波長変換レーザから出力される波長変換光のスペクトル分布を示す図である。 図１に示すレーザ結晶及びレーザ結晶のホルダの概略図である。 本発明の実施の形態２における波長変換レーザの概略構成図である。 本発明の実施の形態３における波長変換レーザの概略構成図である。 本発明の実施の形態４における波長変換レーザの概略構成図である。 本発明の実施の形態５における波長変換レーザの概略構成図である。 本発明の実施の形態６における波長変換レーザの概略構成を示す側面図である。 図８に示す波長変換レーザの概略構成を示す正面図である。 波長変換レーザを連続発振した場合に出力される波長変換光のスペクトル分布の模式図である。 波長変換レーザの励起ＬＤを変調させた場合に出力される波長変換光のスペクトル分布の模式図である。 本発明の実施の形態８における波長変換レーザの概略構成図である。 図１２に示す波長変換レーザから出力される波長変換光のスペクトル分布の模式図である。 本発明の実施の形態９における波長変換レーザの概略構成図である。 本発明の実施の形態１０における緑色波長変換レーザを用いた画像表示装置の概略図である。 本発明の実施の形態１１における波長変換レーザの概略構成図である。 図１６に示す波長変換レーザの固体レーザ光とレンズの平面との傾斜角を説明するための拡大図である。 本発明の実施の形態１２における波長変換レーザの概略構成図である。 本発明の実施の形態１３における波長変換レーザの概略構成図である。 図１９に示すレンズの配置状態を説明するための拡大図である。 本発明の実施の形態１４における波長変換レーザの概略構成図である。 本発明の実施の形態１５における波長変換レーザの概略構成を示す側面図である。 図２２に示す波長変換レーザの概略構成を示す上面図である。 ２つの波長変換光のビーム断面形状を示す模式図である。 本発明の実施の形態１６における波長変換レーザの概略構成図である。 実施の形態１５の波長変換レーザを緑色波長変換レーザとして用いた本発明の実施の形態１７における画像表示装置の概略図である。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図1は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザの概略構成図である。図１に示す波長変換レーザ１００は、励起レーザーダイオード（ＬＤ）1、集光光学系２、凹面ミラー３、２つのレーザ結晶４、５、波長変換素子６及び平面ミラー７を備える。ここで、凹面ミラー３及び平面ミラー７から共振器が構成され、凹面ミラー３、２つのレーザ結晶４、５、及び平面ミラー７から固体レーザが構成され、共振器内（凹面ミラー３と平面ミラー７との間）に波長変換素子６が配置されている。

半導体レーザである励起ＬＤ１は、２つのレーザ結晶４、５を励起する励起光ＥＬを発振する。集光光学系２は、励起ＬＤ１の活性層の厚み方向の励起光ＥＬのビーム径を制御するレンズ２ａと、活性層の幅方向の励起光ＥＬのビーム径を制御するレンズ２ｂからなる。励起ＬＤ１を出射した励起光ＥＬは、集光光学系２により、レーザ結晶４、５で共振器内の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２と重なるように集光される。なお、集光光学系２は、レーザ結晶４、５内で励起光ＥＬと固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２とが重なりを有するように励起光のビーム径を制御するものであればよい。

励起光ＥＬは、凹面ミラー３を透過して、レーザ結晶４及びレーザ結晶５に入射し、それぞれのレーザ結晶で吸収される。レーザ結晶４とレーザ結晶５とは、異なる２種類のレーザ結晶であり、異なるレーザ波長の発振を行う。本実施の形態では、例えば、レーザ結晶４は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４（Ｎｄ濃度０．３％、厚み０．５ｍｍ）からなり、レーザ結晶５は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４(Ｎｄ濃度３％、厚み０．５ｍｍ)からなる。

２種の波長が共振する固体レーザの共振器は、凹面ミラー３と平面ミラー７とで構成され、凹面ミラー３及び平面ミラー７は、２種の波長の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２を反射する。例えば、凹面ミラー３及び平面ミラー７は、１０６０〜１０６８ｎｍの波長のレーザ光に対し、９９％以上の反射率を有し、他の発振線に対しての反射率は、低くされている。

上記の構成により、レーザ結晶４（Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４）では、中心波長１０６２．９ｎｍの固体レーザ光ＩＲ１が発振し、レーザ結晶５（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）では、中心波長１０６４．３ｎｍの固体レーザ光ＩＲ２が発振され、２種の異なる波長の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２が共振器内で発振する。レーザ結晶４及びレーザ結晶５は、２種の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２のＡＲコート（反射防止膜）と、励起光ＥＬのＡＲコートとを両面に有している。

共振器内に挿入された波長変換素子６は、共振器内の２種類の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２を、固体レーザ光ＩＲ１の第２高調波ＳＨＧ１と、固体レーザ光ＩＲ２の第２高調波ＳＨＧ２と、固体レーザ光ＩＲ１と固体レーザ光ＩＲ２との和周波ＳＦＧ１に波長変換を行う。

図２は、波長変換素子６から出力される波長変換光のスペクトル分布を示す図である。図２では、第２高調波ＳＨＧ１が固体レーザ光ＩＲ１からの第２高調波（中心波長５３１．５ｎｍ）、第２高調波ＳＨＧ２が固体レーザ光ＩＲ２からの第２高調波（中心波長５３２．２ｎｍ）、和周波ＳＦＧ１が固体レーザ光ＩＲ１と固体レーザ光ＩＲ２との和周波（中心波長５３１．８ｎｍ）を指す。固体レーザ光ＩＲ１及び固体レーザ光ＩＲ２の各々が縦マルチモードで発振する場合は、波長変換された第２高調波ＳＨＧ１、第２高調波ＳＨＧ２、及び和周波ＳＦＧ１のスペクトル分布も拡がり、重なりが生じることとなる。

波長変換素子６は、２つの固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の第２高調波ＳＨＧ１、第２高調波ＳＨＧ２及び和周波ＳＦＧ１への位相整合を行い、同時に第２高調波ＳＨＧ１、第２高調波ＳＨＧ２及び和周波ＳＦＧ１からなる波長変換光Ｓ１、Ｓ２を出力する。波長変換素子６は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）を用い、０．５ｍｍと非常に薄いマイクロチップ素子となっている。分極反転周期は、７μｍで形成されている。本発明に用いられる波長変換素子は、非常に広い位相整合許容幅を有することを特徴としている。実施の形態１では、広い位相整合許容幅のため、波長変換素子６の厚みを０．５ｍｍと非常に薄いマイクロチップ状のものを用いている。

また、波長変換素子６は、レーザ結晶５側の端面６ａに固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２のＡＲコート及び波長変換光Ｓ１、Ｓ２のＨＲコート（高反射膜）を有し、平面ミラー７側の端面６ｂに固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２のＡＲコート及び波長変換光のＡＲコートを有する。平面ミラー７は、固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２のＨＲコート及び波長変換光Ｓ１、Ｓ２のＡＲコートを有する。

波長変換素子６の図１の右方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ１は、波長変換素子６に再入射することなく、平面ミラー７から共振器外部に出力される。波長変換素子端面６ａは、固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の光軸ＯＡに対して所定角度だけ傾斜して配置されている。また、波長変換素子６の図１の左方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ２は、波長変換素子６の端面６ａで傾斜して反射され、固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の光軸ＯＡからずれて波長変換素子６に再入射され、平面ミラー７から外部に出力される。

上記した波長変換素子６の端面６ａのコーティング（ＨＲコート）と傾斜配置とにより、波長変換光Ｓ２は、波長変換素子６内で固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の光軸と一致して再入射することなく、共振器の外部（平面ミラー７の外側）に出力される。また、波長変換光Ｓ１、Ｓ２が、固体レーザ光路と一致してレーザ結晶４、５に入射することもない。

波長変換レーザ１００では、固体レーザのレーザ媒質が少なくとも２種類以上のレーザ結晶４、５から構成され、固体レーザが複数の波長の発振を行うとともに、波長変換素子６は、複数の波長の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２を第２高調波ＳＨＧ１、ＳＨＧ２及び和周波ＳＦＧ１へ位相整合し、複数の波長の第２高調波ＳＨＧ１、ＳＨＧ２及び和周波ＳＦＧ１を同時に発生させることを特徴としている。

このような構成とすることにより、固体レーザの共振器で発振する異なる波長の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２から第２高調波及び和周波を発生させ、複数の波長からなる低コヒーレントの波長変換レーザ光を安定して出力することができる。

上記のように、本実施の形態では、異なる中心波長をもつ固体レーザ光から和周波を発生させるとともに、それぞれの第２高調波を同時に発生させることにより、和周波のみや各々の第２高調波を発生する場合よりも、高い波長変換効率を達成し、高効率のレーザが得られる。このように、第２高調波と和周波との同時発生により波長変換効率を高めることにより、固体レーザの共振器内の各部材による内部損失の寄与度を低下させることができる。これにより、共振器内の部材の損失の仕様を緩和し、部材コストの低下を可能とする。

また、本実施の形態では、マイクロチップ固体レーザ結晶からなるレーザ結晶４及びレーザ結晶５、及び位相整合許容幅が広く且つ複数波長変換が可能なマイクロチップ波長変換素子からなる波長変換素子６を用いることにより、波長変換レーザ１００の小型化を行うこともできる。この結果、本実施の形態の構成では、波長変換レーザ１００を数cc程度にすることができる。

さらに、本実施の形態で得られる複数波長を同時に発生する低コヒーレント波長変換レーザは、レーザのコヒーレンシーのために生じる様々な干渉ノイズを除去することができる。特に、映像分野や照明分野で課題となっていたスペックルノイズを除去することができる。

ここで、複数の中心波長をもつ固体レーザからの和周波及び第２高調波の同時発生は、波長変換光が波長変換素子内で逆変換され、固体レーザ発振のノイズとなって不安定となるモード競合ノイズを引き起こすという課題がある。しかしながら、本実施の形態の波長変換レーザ１００では、第２高調波及び和周波からなる波長変換光は、その光軸が波長変換素子６内に固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の光軸と一致して再入射することなく、共振器の外部に出力されることを特徴としている。

したがって、本実施の形態では、波長変換素子６に再入射する波長変換光Ｓ２を波長変換素子６内の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の共振するパスから除くことにより、波長変換光Ｓ２が逆変換され、固体レーザの発振ノイズとなる現象を防ぎ、安定した出力を得ることができる。

上記のように、本実施の形態の波長変換素子６の出力面となる端面６ｂの反対側の端面６ａに波長変換光のＨＲコートを設け且つこの面を固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の光軸に対して傾斜する構成は、波長変換光Ｓ２を固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２と一致して波長変換素子6に再入射させない好ましい構成である。この場合、追加する光学部品などを用いずに、第２高調波及び和周波の同時発生で生じるモード競合ノイズを回避することができる。

このように、複数の中心波長をもつ固体レーザからの第２高調波及び和周波の同時発生では、モード競合ノイズが生じ易いため、波長変換光と固体レーザ光とが波長変換素子に再入射する時に、両者を一致させない構成は非常に重要となる。また、本実施の形態の波長変換素子６への再入射時に波長変換光を固体レーザ光からずらす構成は、従来の内部共振器型波長変換レーザで生じていたＧｒｅｅｎ Ｐｒｏｂｌｅｍの回避も同時に行うことができる。さらに、本実施の形態は、波長変換光がレーザ結晶４、５に入射しないため、レーザ結晶４、５による波長変換光の吸収による損失を防ぐことができる。

また、本実施の形態では、複数種類のレーザ結晶４、５を用いるが、これを同じ励起ＬＤ１で励起することにより、励起ＬＤの個数を少なくし、装置のコストの低減及びサイズの低減を行うことができる。このとき、本発明に用いられる複数種類のレーザ結晶は、吸収帯域に重なりがあることが好ましい。吸収帯域に重なりがあることで、同じ励起ＬＤを用いて励起が可能となる。

また、本実施の形態では、同じ励起ＬＤ１がレーザ結晶４とレーザ結晶５とを励起するときに、集光光学系２により励起光ＥＬを集束光に変換してレーザ結晶４、５へ入射させることにより、発振波長の長いレーザ結晶であるレーザ結晶５（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）の励起光のスポット径（直径）をレーザ結晶４よりも小さくしている好ましい形態である。

固体レーザ結晶の発振波長は、レーザ結晶の温度が高くなるにつれ長くなる。レーザ結晶５の励起光ＥＬのスポット径をレーザ結晶４よりも小さくすることにより、レーザ結晶５の光吸収密度を高め、レーザ結晶５の発振を行う部位の温度をレーザ結晶４の発振を行う部位の温度よりも高くし、レーザ結晶５の発振波長を優先的に長くする。発振波長の短いレーザ結晶４に対し、発振波長の長いレーザ結晶５の波長を長い方向にシフトさせることにより、本実施の形態の波長変換レーザ１００のスペクトル幅をさらに広くすることができる。

さらに、異なるレーザ結晶の発振波長が近づきすぎると、高出力時に固体レーザのモード競合が生じ、不安定になる場合があるが、本実施の形態では、励起光ＥＬのスポット径を上記のように調整してレーザ結晶４とレーザ結晶５との発振波長を離すことにより、レーザ結晶４とレーザ結晶５とのゲインの重なりを減らし、固体レーザの安定した発振を行うことができるようになる。

また、本実施の形態では、例えば、固体レーザの最短発振波長の中心波長λｓが１０６２．９ｎｍ、最長発振波長の中心波長λｌが１０６４．３ｎｍ、２つの和周波の波長λｓｆｇが５３１．８ｎｍ、λｓ及びλｌの平均波長λａｖｅが１０６３．６ｎｍである。波長変換素子６を構成するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３のλｓｆｇにおける屈折率ｎｓｆｇは２．２２、λａｖｅにおける屈折率ｎａｖｅは２．１５である。波長変換素子６の厚みｔは０．５ｍｍである。

このとき、位相整合許容幅を近似する下記式の値は、１．４４ｍｍとなる。

λａｖｅ^２／（８×（λｌ−λｓ）×（ｎｓｆｇ−ｎａｖｅ））

したがって、本実施の形態は、分極反転周期構造を有する波長変換素子６の厚みｔが、０＜ｔ＜λａｖｅ^２／（８×（λｌ−λｓ）×（ｎｓｆｇ−ｎａｖｅ））の関係を満たす好ましい形態である。

波長変換素子６の厚みが、λａｖｅ^２／（８×（λｌ−λｓ）×（ｎｓｆｇ−ｎａｖｅ））以上になると、固体レーザで発振する複数波長の範囲において位相整合条件からのずれが大きくなり、第２高調波及び和周波の変換に対し、十分な波長変換効率が得られず、固体レーザの発振波長幅に対応するスペクトル幅の広い波長変換光を得ることができない。

一方、波長変換素子がない場合は、当然波長変換を行うことができない。また、波長変換素子６の厚みｔは、０．２ｍｍ以上であることがより好ましい。０．２ｍｍ未満では、波長変換効率が著しく低くなり、高効率な波長変換光が得られない。また、ハンドリングが難しく、装置のコスト増につながる。

また、本実施の形態は、固体レーザの複数の発振波長のうち、最短発振波長の中心波長λｓ及び最長発振波長の中心波長λｌが０．５ｎｍ＜λｌ−λｓ＜５ｎｍの関係を満たす好ましい形態である。この場合、固体レーザ光の発振波長幅（最短発振波長から最長発振波長までの範囲）が上記範囲にあることにより、低コヒーレントの波長変換光を高効率に得ることができる。

すなわち、固体レーザの発振波長幅が０．５ｎｍ以下の場合、波長変換光のスペクトル幅が狭くなり、波長変換光のコヒーレンシーが十分に低くならず、干渉ノイズの低減効果が限定される。また、０．５ｎｍ以下では、固体レーザのモード競合が生じやすくなり、高出力時に不安定となりやすい。一方、固体レーザの発振波長幅が５ｎｍ以上の場合、固体レーザの発振波長幅全体の波長変換を行うことができず、波長変換効率が低くなり、波長変換レーザとしての効率が低下してしまう。

また、本実施の形態では、励起ＬＤ１は、波長ロックされたワイドストライプＬＤであり、８０８ｎｍの励起光を出射する。レーザ結晶４は、共振器内に入射する励起光の約４０％を吸収するように、Ｎｄイオン添加量とレーザ結晶の厚みとが設計されている。レーザ結晶５は、入射した励起光をほぼ吸収するようにＮｄイオン添加量とレーザ結晶の厚みとが設計され、レーザ結晶４で吸収できなかった励起光をほぼ全て吸収する。したがって、本実施の形態では、レーザ結晶４とレーザ結晶５とにより、共振器内に入射する励起光の９８％以上を吸収する。

このように、本実施の形態１は、複数のレーザ結晶の数をＮ（Ｎは２以上の整数）とするとき、発振波長が最も短いレーザ結晶４は、共振器内に入射する励起光のうち１／２Ｎ以上且つ１／Ｎ以下の励起光を吸収し、複数のレーザ結晶すなわちレーザ結晶４及びレーザ結晶５の全体は、共振器内に入射する励起光の９５％以上を吸収する好ましい形態である(実施の形態１では、Ｎ＝２である)。

発振波長の最も短いレーザ結晶４での吸収量を１／Ｎ以下とすることにより、他のレーザ結晶よりも発振波長の最も短いレーザ結晶の発熱を抑え、発振波長の長波長方向へのシフトを防いでいる。これにより、固体レーザの発振波長幅が縮まることを防ぎ、波長変換光のスペクトル幅が縮まることを防ぐことができる。また、固体レーザの発振波長が近づくことによるモード競合の回避を行うことができる。

また、発振波長の最も短いレーザ結晶での吸収量を１／２Ｎ以上とすることにより、固体レーザの最も短い発振波長の強度を保ち、波長変換光のスペクトルの偏りが生じることを防ぐことができる。すなわち、１／２Ｎ未満の場合は、波長変換光の波長の短い成分が少なくなり、コヒーレンシーの低減効果が限定的となる。さらに、複数のレーザ結晶合計での励起光の吸収率を９５％以上とすることにより、固体レーザの励起効率を高め、波長変換光の発生の高効率化を行うことができる。

また、本実施の形態では、複数のレーザ結晶４、５は、異なるホスト材料に同じ活性イオン材料を添加した結晶であり、発振波長の長いレーザ結晶５の活性イオン添加量が、発振波長の短いレーザ結晶４の添加量よりも多い好ましい形態である。異なるホスト材料に同じ活性イオン材料を添加した結晶を用いる場合、吸収帯域が近いため、一つの半導体レーザで励起することが可能となる。また、近い発振波長を有するため、本発明で必要な第２高調波と和周波とを同時に波長変換できる帯域の波長を発振することができる。しかしながら、発振波長が近すぎると、固体レーザのモード競合や波長変換光のスペクトル幅が狭くなる場合があるため、本実施の形態では、発振波長の長いレーザ結晶５の活性イオン添加量を発振波長が短いレーザ結晶４よりも多くすることにより、発振波長が近づきすぎるのを防いでいる。

また、本実施の形態では、レーザ結晶が、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４とＮｄ：ＹＶＯ_４との２種類からなる好ましい形態である。Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４とＮｄ：ＹＶＯ_４とは、一つの励起ＬＤによる励起が可能であり、発振波長がＮｄ：ＧｄＶＯ_４の方が１〜３ｎｍ程度短いため、本発明の低コヒーレント波長変換レーザに最適なレーザ結晶の組み合わせである。また、ヴァナデート系の結晶は、誘導放出断面積が大きく、マイクロチップ化ができるため、集光光学系及び共振器の小型化ができ、波長変換レーザの小型化ができる。

また、本実施の形態では、２つのレーザ結晶４、５及び波長変換素子６は、厚みが１ｍｍ以下であるマイクロチップ結晶からなり、結晶間を空間的に光路上で分離して配置される好ましい形態である。マイクロチップのレーザ結晶では、高出力時の温度上昇により不安定になる傾向があるが、本実施の形態では、発熱体であるレーザ結晶４、５の間を空間的に光路上で分離することにより、相互の熱干渉をなくし、冷却することができる。また、レーザ結晶を１つしか用いない構成に対しても、本実施の形態の複数のレーザ結晶を用いる構成は、発熱部を複数個所に分けることができるため、熱的に優れ、高出力時に安定した発振を行うことができる。さらに、波長変換素子６をレーザ結晶４、５から固体レーザ光の光路上で分離することにより、波長変換素子６に対するレーザ結晶４、５からの熱干渉を防ぐことができる。

次に、上記のように２つのレーザ結晶４、５間を空間的に光路上で分離する構成例について具体的に説明する。図３は、図１に示すレーザ結晶４及びレーザ結晶５のホルダの概略図である。図３に示すホルダＨＯは、結晶ホルダＨａ、結晶ホルダ共有部Ｈｂ、結晶ホルダＨｃ及び固定部Ｈｄ、Ｈｅから構成され、結晶ホルダＨａ、結晶ホルダ共有部Ｈｂ及び結晶ホルダＨｃは、矩形形状を有し、その中心にレーザ光通過口ＬＨ１、ＬＨ２、ＬＨ３が形成されている。結晶ホルダＨａは、固定部Ｈｄにより結晶ホルダ共有部Ｈｂに固定され、レーザ結晶４は、結晶ホルダＨａと結晶ホルダ共有部Ｈｂとに挟持されている。結晶ホルダＨｃは、固定部Ｈｅにより結晶ホルダ共有部Ｈｂに固定され、レーザ結晶５は、結晶ホルダＨｃと結晶ホルダ共有部Ｈｂとに挟持されている。なお、ホルダＨＯとレーザ結晶４、５との界面は、接触性に応じて、ハンダやインジウムを介してもよい。

図３の構成例では、マイクロチップのレーザ結晶４、５は、固体レーザ光の光路上で空間的に分離され、放熱機構となるホルダＨＯを共有している。ホルダＨＯは、熱伝導性の高い銅等からなる。この場合、ホルダＨＯの熱伝導率は、レーザ結晶４、５に対し１０倍以上も高いため、ホルダＨＯを共有しても、レーザ結晶４とレーザ結晶５との間の熱干渉は、無視することができる。

図３の構成例は、２つのレーザ結晶を共有するホルダで保持する好ましい構成である。複数のレーザ結晶を用いる場合、レーザ光の軸合せなどの調整機構が煩雑になるという課題があるが、本構成例のように、レーザ結晶４、５を一つのホルダＨＯを介して接続することにより、調整の手間を省くことができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザ２００の概略構成図である。なお、図４において、実施の形態１と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

波長変換レーザ２００では、複数の波長の発振を行う固体レーザが、レーザ結晶４１と、レーザ結晶５１と、凹面ミラー３１とから構成され、固体レーザの共振器が、レーザ結晶４１と、凹面ミラー３１とから構成される。

レーザ結晶４１は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４（Ｎｄ濃度０．５％、厚み０．６ｍｍ）からなり、中心波長１０６２．９ｎｍの波長を発振する。レーザ結晶５１は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度２％、厚み１ｍｍ）からなり、中心波長１０６４．３ｎｍの波長を発振する。励起ＬＤ１１を出射した励起光ＥＬは、集光光学系２により、レーザ結晶４１及びレーザ結晶５１において固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２と重なるように集光される。したがって、励起光ＥＬのスポット径は、発振波長の長いレーザ結晶５１においてレーザ結晶４１よりも小さくなるように集光されている。

レーザ結晶４１の励起光ＥＬの入射面４１ａには、励起光（８０８ｎｍ）のＡＲコーティング、固体レーザ波長（１０６０〜１０６８ｎｍ）のＨＲコーティングが施されている。レーザ結晶４１のもう一方の面４１ｂには、固体レーザ波長と励起光とのＡＲコーティングが施されている。レーザ結晶５１の励起ＬＤ１１側の端面５１ａには、励起光と固体レーザ波長とのＡＲコーティングが施され、もう一方の端面５１ｂには、固体レーザ波長のＡＲコーティングと、波長変換光のＨＲコーティングとが施されている。

波長変換素子６１は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＴａＯ_３（ＰＰＬＴ）からなり、固体レーザの光路方向に１ｍｍの厚みを有する。波長変換素子６１は、固体レーザ波長に対してブリュースター角となるように、固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２の光軸に対して約６５度だけ傾斜配置されている。波長変換素子６１は、２つのレーザ結晶４１、５１で発振される波長の第２高調波と和周波とを発生させる位相整合を行うことができ、同時に固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２を第２高調波と和周波とへ波長変換して波長変換光Ｓ１、Ｓ２を出力する。

凹面ミラー３１には、固体レーザ波長のＨＲコーティングと、波長変換光（５３０〜５３４ｎｍ）のＡＲコーティングとが施され、凹面ミラー３１は、波長変換光の出力ミラーとなっている。

上記の構成により、波長変換素子６１の図４の右方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ１は、凹面ミラー３１により共振器外部に取り出される。一方、波長変換素子６１の図４の左方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ２は、波長変換素子６１の色分散により、固体レーザ光路よりも大きな角度で波長変換素子６１から出射し、固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２から外れる。その後、波長変換光Ｓ２は、レーザ結晶５１の端面５１ｂで反射し、波長変換素子６１に再入射する。波長変換素子６１内に再入射する波長変換光Ｓ２が固体レーザ光から外れているので、第２高調波と和周波との同時発生で問題となる逆変換によるモード競合ノイズを回避することができる。

このように、本実施の形態は、ブリュースター角の傾斜と波長変換素子６１の色分散とにより、モード競合ノイズを回避する好ましい形態である。この場合、ＡＲコート、ＨＲコート等をコーティングすることが難しい波長変換素子であっても、波長変換素子６１の配置のみで、コンパクトな構成で波長変換光を固体レーザ光からずらすことができる。また、レーザ結晶５１で波長変換光を反射することにより、レーザ結晶４１、５１に波長変換光が入射することを防ぎ、波長変換光がレーザ結晶で吸収されることを防いでいる。

また、本実施の形態では、例えば、波長変換素子６１の厚みｔは、固体レーザの光路に対し１ｍｍの厚みであり、厚みｔは、０＜ｔ＜λａｖｅ^２／（８×（λｌ−λｓ）×（ｎｓｆｇ−ｎａｖｅ））の関係を満たす。したがって、実施の形態１と同様に、波長変換素子６１は、固体レーザの複数の波長に対し、十分に広い位相整合許容幅を有している。

また、本実施の形態では、励起ＬＤ１１は、８０８ｎｍ帯のワイドストライプ半導体レーザであり、ＬＤ温度コントローラ１２により温度制御がされている。ＬＤ温度コントローラ１２は、励起ＬＤ１１の温度を変化させ、発振波長のシフトを行うことができる。

ここで、レーザ結晶４１の励起光の吸収量は、励起光の波長により変化する。レーザ結晶５１は、レーザ結晶４１を透過した励起光のほぼ全てを吸収する。本実施の形態では、励起ＬＤ１１の制御温度により、共振器内に入射する励起光のレーザ結晶４１による吸収率を２０〜６０％まで変化させることができる。

例えば、レーザ結晶４１の励起光の吸収率が低いとき、レーザ結晶４１によって発振される固体レーザ光のパワーがレーザ結晶５１によって発振される固体レーザ光のパワーよりも小さく、共振器外部に出力される波長変換光に含まれるレーザ結晶４１の発振波長に由来する波長成分が小さくなる。

本実施の形態では、ＬＤ温度コントローラ１２は、励起ＬＤ１１の温度を制御して励起ＬＤの波長を制御することにより、波長変換光の波長分布を制御している。すなわち、レーザ結晶４１は、発振波長が短い部分の発振を行うため、励起光の吸収率が小さければ、波長変換光の短い波長成分が小さくなり、波長変換光の波長分布は、高波長側にシフトする。同様に、レーザ結晶４１の励起光の吸収率が高い場合は、波長変換光の波長分布は、低波長側にシフトする。

このように、本実施の形態は、固体レーザの励起を行う半導体レーザ（励起光源）である励起ＬＤ１１の波長により、波長変換光の波長分布の制御を行う好ましい形態である。従来の内部共振器型波長変換レーザでは、励起ＬＤの波長変化による波長変換光の波長制御はできなかったが、本実施の形態では、複数種類のレーザ結晶４１、５１を用いるとともに、励起ＬＤ１１の波長を変化させることにより、波長変換光の波長制御を行うことができる。この波長変換光の波長分布の制御は、分析分野などの応用用途を広げることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における波長変換レーザ３００の概略構成図である。なお、図５において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

波長変換レーザ３００では、複数の波長の発振を行う固体レーザが、凹面ミラー３２、凹面ミラー３３、レーザ結晶４２、レーザ結晶５２、平面ミラー７１及び平面ミラー７２から構成され、固体レーザの共振器が、凹面ミラー３２と、凹面ミラー３３とから構成される。共振器内にレーザ結晶４２、レーザ結晶５２及び波長変換素子６２が配置され、平面ミラー７１、７２が波長変換光Ｓ３、Ｓ４の出力ミラーとなっている。

集光光学系２２、２３は、集光光学系２と同様に、励起ＬＤ１２、１３の活性層の厚み方向の励起光ＥＬ１、ＥＬ２のビーム径を制御するレンズ２２ａ、２３ａと、活性層の幅方向の励起光ＥＬ１、ＥＬ２のビーム径を制御するレンズ２２ｂ、２３ｂからなる。励起ＬＤ１２を出射した励起光ＥＬ１は、集光光学系２２により、レーザ結晶４２において固体レーザ光ＩＲ１と重なるように集光される。励起ＬＤ１３を出射した励起光ＥＬ２は、集光光学系２３により、レーザ結晶５２において固体レーザ光ＩＲ２と重なるように集光される。

レーザ結晶４２は、Ｎｄ：ＧｄＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度１％、厚み２ｍｍ）からなり、中心波長１０６２．９ｎｍの波長を発振する。レーザ結晶５２は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度１％、厚み２ｍｍ）からなり、中心波長１０６４．３ｎｍの波長を発振する。また、レーザ結晶４２は、結晶ホルダＨＡに固定され、結晶ホルダＨＡにより冷却が行われている。レーザ結晶５２は、結晶ホルダＨＢに固定され、結晶ホルダＨＢにより冷却が行われている。

凹面ミラー３２、３３には、固体レーザ波長（１０６０〜１０６８ｎｍ）のＨＲコートと、励起光（８０８ｎｍ）のＡＲコートとが形成され、凹面ミラー３２、３３の励起ＬＤ１２、１３側の面に励起光のＡＲコートが形成されている。レーザ結晶４２、５２には、固体レーザ波長のＡＲコートが形成され、レーザ結晶４２、５２の励起ＬＤ１２、１３側に励起光のＡＲコートが形成されている。波長変換素子６２には、固体レーザ波長及び波長変換光（５３０〜５３４ｎｍ）のＡＲコートが形成されている。平面ミラー７１、７２には、固体レーザ波長のＨＲコート及び波長変換光のＡＲコートが形成されている。

波長変換素子６２は、２つのレーザ結晶４２、５２で発振される波長の第２高調波と和周波とを発生させる位相整合を行うことができ、同時に固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２を第２高調波と和周波とへ波長変換して波長変換光Ｓ３、Ｓ４を出力する。波長変換素子６２は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）からなり、固体レーザの光路方向に０．５ｍｍの厚みを有する。

上記の構成により、波長変換素子６２の図５の上方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ３は、平面ミラー７１により共振器外部に出力される。一方、波長変換素子６２の図５の下方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ４は、平面ミラー７２により共振器外部に出力される。このように、波長変換レーザ３００は、２つの波長変換光Ｓ３、Ｓ４の出力ミラー７１、７２を有することにより、波長変換光Ｓ３、Ｓ４が波長変換素子６２内に固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２と一致して再入射することを防いでいる。この結果、本実施の形態は、２枚の出力ミラー７１、７２を用いることにより、第２高調波及び和周波の同時発生で生じるモード競合ノイズを回避している。

また、本実施の形態では、発振波長の長いレーザ結晶５２を発振波長の短いレーザ結晶４２よりも、レーザ結晶の固体レーザ光が発振する領域で高い温度となるように制御している。

具体的には、本実施の形態では、凹面ミラー３２及び凹面ミラー３３の曲率半径を変え、凹面ミラー３３の曲率半径を凹面ミラー３２の曲率半径より小さくすることにより、固体レーザ光のビーム径をレーザ結晶５２でレーザ結晶４２よりも小さくしている。また、集光光学系２３は、励起光ＥＬ２がレーザ結晶５２内で小さくなった固体レーザ光ＩＲ２と重なるように、集光光学系２２よりも励起光のビーム径を小さくする構成としている。このため、レーザ結晶５２の固体レーザ光ＩＲ２の発振する領域の温度は、結晶ホルダＨＡ、ＨＢを同じ温度で制御した場合であっても、レーザ結晶４２の固体レーザ光ＩＲ１の発振する領域よりも高くなる。

このような構成とすることにより、発振波長の長いレーザ結晶５２の固体レーザ光の発振する領域の温度を、発振波長が短いレーザ結晶４２よりも高くすることもできる。なお、レーザ結晶における固体レーザ光の径がレーザ結晶間で同じ場合は、結晶ホルダＨＡ、ＨＢの温度を異ならせることにより、レーザ結晶の固体レーザ光の発振する領域の温度を制御することができる。例えば、結晶ホルダ間で放熱量を変化させたり、実施の形態２と同様に、結晶ホルダに温度コントローラ等を設ける等の種々の方法を用いることができる。

ここで、固体レーザの発振波長は、レーザ結晶の温度が高くなるにつれ、長い方向にシフトする。本実施の形態では、レーザ結晶５２の発振を行う領域、すなわちレーザ結晶５２内の固体レーザ光が発振する領域の温度を、レーザ結晶４２の発振を行う領域、すなわちレーザ結晶４２内の固体レーザ光が発振する領域の温度よりも高くし、レーザ結晶５２の発振波長を優先的に長くする。この結果、発振波長の短いレーザ結晶４２に対し、発振波長の長いレーザ結晶５２の波長を長い方向にシフトさせることにより、波長変換レーザのスペクトル幅をさらに広くすることができる。

また、異なるレーザ結晶の発振波長が近づきすぎると、高出力時に固体レーザのモード競合が生じ、不安定になる場合があるが、本実施の形態では、上記のようにレーザ結晶５２の波長を長い方向にシフトさせてレーザ結晶４２とレーザ結晶５２の発振波長を離すことにより、レーザ結晶４２とレーザ結晶５２とのゲインの重なりを減らし、固体レーザの安定した発振を行うことができる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４における波長変換レーザ４００の概略構成図である。なお、図６において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

波長変換レーザ４００では、複数の波長の発振を行う固体レーザが、レーザ結晶４１と、レーザ結晶５１と、波長変換素子６３とから構成され、固体レーザの共振器が、レーザ結晶４１と、波長変換素子６３とから構成される。

レーザ結晶４１の励起光ＥＬの入射面４１ａには、励起光(８０８ｎｍ)のＡＲコーティング、及び固体レーザ波長(１０６０〜１０６８ｎｍ)のＨＲコーティングが施されている。レーザ結晶４１のもう一方の面４１ｂには、固体レーザ波長及び励起光のＡＲコーティングが施されている。レーザ結晶５１の励起ＬＤ側の端面５１ａには、励起光及び固体レーザ波長のＡＲコーティングが施され、もう一方の面５１ｂには、固体レーザ波長のＡＲコーティングが施されている。

波長変換素子６３のレーザ結晶側の端面６３ａには、固体レーザ波長及び波長変換光(５３０〜５３４ｎｍ)のＡＲコーティングが施されている。波長変換素子６３のもう一方の面６３ｂには、固体レーザ波長のＨＲコーティングと、波長変換光のＡＲコーティングとが施され、面６３ｂは、波長変換光Ｓ１の出力ミラーとなっている。

レンズ８には、固体レーザ波長のＡＲコーティングと、波長変換光のＨＲコーティングが施されている。レンズ８は、球面平凸レンズからなり、固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２に対して偏芯した位置に配置されており、固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２を傾斜させる構成となっている。共振器ミラーとなる波長変換素子６３も、この傾斜角に対応して、傾斜して配置されている。この傾斜配置により、波長変換光Ｓ２が波長変換素子６３内に固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２と一致して再入射することを防いでいる。

また、本実施の形態は、レンズ８により、波長変換素子６３における固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２のビーム径を、レーザ結晶４１、５１の固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２のビーム径よりも小さくする構成となっている。このように、波長変換素子６３での固体レーザビーム径を小さくすることにより、固体レーザ光の波長変換素子６３内での光強度を上げ、波長変換効率を高めているので、波長変換レーザ４００の効率を高めることができる。また、波長変換効率を高めることは、出力に対する共振器内の光学部材による内部損失の寄与を低減することができる。これにより、共振器内の部材の損失の仕様を緩和し、部材コストを低下させることができる。

また、固体レーザ光のビーム径をレーザ結晶４１、５１で大きくすることは、励起光のレーザ結晶４１、５１内でのビーム径を大きくすることを可能とし、励起光の光強度を低減し、レーザ結晶４１、５１の発熱を抑える。レーザ結晶の発熱を抑えることにより、波長変換レーザ４００の高出力特性を向上させることができる。

さらに、レンズ８には波長変換光を反射するコーティングが形成されており、レンズ８が波長変換光Ｓ２を反射し、波長変換光Ｓ２が波長変換素子６３内で固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２と一致して再入射することを防ぎ、モード競合ノイズを除去する。このように、固体レーザの共振器内に、波長変換光の反射と、固体レーザ光のビーム径制御とを行うレンズを挿入することにより、高効率化と高出力時の安定性とを得ることができる。

上記のように、本実施の形態は、波長変換素子６３の端面６３ｂを出力ミラーとし、レンズ８により波長変換光Ｓ２を波長変換素子６３内に固体レーザ光路と一致して再入射させずに共振器外部に出力する好ましい形態である。

また、レンズ８を用いる場合、波長変換素子６３内のビーム径を絞るには、波長変換素子６３の端面６３ｂを共振器ミラーとすることが好ましい。波長変換素子６３の端面６３ｂを共振器ミラーとすることにより、固体レーザ光のビーム集光点を波長変換素子６３内に形成し、ビーム径を理想的に集光することを可能とし、且つコンパクトな構成を実現することができる。

なお、挿入するレンズは、屈折によりレンズパワーを有すればよく、両凸レンズや非球面レンズを用いることもできる。また、本実施の形態では、レンズ８を偏芯させて配置しているが、この例に特に限定されず、固体レーザ光に対してレンズ面のいずれかが傾斜するような配置とすることにより、波長変換光Ｓ２が波長変換素子６３に固体レーザ光と一致して再入射することを防ぐことができる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５における波長変換レーザ５００の概略構成図である。なお、図７において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

波長変換レーザ５００は、偏光ビームスプリッター(ＰＢＳ)７５により、Ｓ偏光の固体レーザの共振器とＰ偏光の固体レーザの共振器とを結合させた構成を有する。レーザ結晶４３とレーザ結晶５３とは、結晶の光学軸が９０度回転して配置され、共にレーザ結晶のπ偏光でレーザ発振を行っているが、共振器から見て、９０度偏光方向が異なっている。Ｓ偏光の共振器ミラーは、凹面ミラー３２と波長変換素子６４とからなり、Ｐ偏光の共振器ミラーは、凹面ミラー３３と波長変換素子６４とからなる。ＰＢＳ７５は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過することにより、共振器を結合させる。

レーザ結晶４３は、Ｎｄ：ＧｄＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度１％、厚み２ｍｍ）からなり、中心波長１０６２．９ｎｍの波長を発振する。レーザ結晶５３は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度１％、厚み２ｍｍ）からなり、中心波長１０６４．３ｎｍの波長を発振する。レーザ結晶４３とレーザ結晶５３とは、上記したように、結晶の光学軸が固体レーザの共振器に対し、９０度回転した配置となっている。

波長変換素子６４としては、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）を用い、ｚ軸の±方向に分極反転周期構造が形成されている。このｚ軸が、共振器のＳ偏光及びＰ偏光に対して、４５度の方向となるように配置されている。波長変換素子６４の厚みは、約０．５ｍｍであるが、固体レーザの共振波長に対し、λ／２板として働く厚みに研磨されている。固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２は、波長変換素子６４を往復することにより、偏光方向が共振するレーザ光と一致し、それぞれのレーザ結晶４３、５３に帰還する。波長変換素子６４の図左側の面６４ａには、固体レーザ波長（１０６２〜１０６６ｎｍ）のＡＲコートと、波長変換光（５３１〜５３３ｎｍ）のＡＲコートとが形成され、図右側の面６４ｂには、固体レーザ波長のＨＲコートと、波長変換光のＡＲコートとが形成されている。

また、波長変換素子６４で、Ｓ偏光とＰ偏光との２つの固体レーザ光が重なるように、凹面ミラー３２、３３の曲率半径が決められ、その他の光学部品の調整がなされている。波長変換素子６４では、２つの固体レーザの共振波長のそれぞれの第２高調波及び和周波の位相整合が行われ、第２高調波と和周波との波長変換光が同時に発生する。

本実施の形態では、波長変換素子６４のｚ軸を固体レーザの偏光方向に対し４５度方向に傾いた光学軸とすることにより、偏光が異なる波長の第２高調波及び和周波の同時発生を行うことができる。また、波長変換素子６４を薄くし、波長変換できる波長許容幅を拡げている。さらに、波長変換素子６４の厚みをλ／２板として働く厚みとすることにより、固体レーザが安定して共振するように構成している。

波長変換素子６４を図７の右方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ１は、波長変換素子６４の端面６４ｂから共振器外部に出力される。波長変換素子６４を図７の左方向に通過する固体レーザ光の波長変換光Ｓ２は、ダイクロイックミラー７４によって反射して共振器外部に出力され、波長変換素子６４内に固体レーザ光と一致して再入射することはない。このように、本実施の形態では、波長変換素子６４に波長変換光と固体レーザ光とが一致して再入射することがないようにすることにより、第２高調波及び和周波の同時発生によって生じるモード競合ノイズを防いでいる。

すなわち、本実施の形態は、共振器内に波長変換素子６４を有する波長変換レーザ５００において、共振器内で波長が異なり且つ偏光が直交する波長の共振を行い、波長変換素子６４は、波長の直交する偏光成分に対して傾いた光学軸を有し、波長及び偏光が異なる発振波長を第２高調波及び和周波へ位相整合し、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に発生する好ましい形態である。

上記のように、偏光が直交する波長の共振を行うことにより、共振器内で発振している複数の波長間で生じるモード競合を回避して、複数の波長を安定して共振させることができる。また、波長変換素子６４は、発振波長に対し傾いた光学軸を有することにより、直交する偏光成分に対し、両方の波長変換が可能となり、それぞれの発振波長の第２高調波及び和周波の発生が可能となる。さらに、波長変換素子６４は、それぞれの第２高調波及び和周波を発生可能な位相整合範囲を有しているので、波長変換されて出力される波長変換光は、複数のスペクトルから構成されるため、スペクトル幅が広くなり、干渉性が低くなる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザ６００の概略構成を示す側面図であり、図９は、図８に示す波長変換レーザ６００の概略構成を示す正面図である。なお、図８及び図９において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

図８において、励起ＬＤ１６は、８８０ｎｍの波長を出射する内部波長ロック機構を有するワイドストライプ半導体レーザである。励起ＬＤ１６を出射した励起光は、集光光学系２６を経て、レーザ結晶４６に入射する。集光光学系２６は、単レンズで構成されている。

波長変換レーザ６００では、２種類のレーザ結晶４６、５６の端面が貼り合わされている。レーザ結晶４６とレーザ結晶５６とは、直接接合されており、光学的接合状態となっている。レーザ結晶４６は、３×１×１ｍｍのＮｄ０．５％：ＧｄＶＯ_４からなり、共振器長方向が１ｍｍとなる。レーザ結晶５６は、３×１×１ｍｍのＮｄ２％：ＹＶＯ_４からなり、共振器長方向が１ｍｍとなる。

図９の正面図は、励起ＬＤ１６及び集光光学系２６の図示を省略し、レーザ結晶４６の励起ＬＤ側の面Ｐ１側からレーザ結晶４６等を見た図であり、この図の横方向のレーザ結晶４６の幅は、３ｍｍとなっている。レーザ結晶４６とレーザ結晶５６とは、活性イオン（Ｎｄ）のドープ量により励起光の吸収係数が調整され、励起ＬＤ側であるレーザ結晶４６の吸収係数をレーザ結晶５６の吸収係数より低くしている。

波長変換レーザ６００では、波長変換素子６６もレーザ結晶５６に直接接合されており、光学的接合状態となっている。波長変換素子６６は、分極反転周期構造が形成されたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３からなり、共振器長方向の厚みは０．５ｍｍであり、外形は３×１×０．５ｍｍである。

接合された２つのレーザ結晶４６、５６及び波長変換素子６６が、固体レーザの共振器を構成し、レーザ結晶４６の面Ｐ１と波長変換素子６６の面Ｐ２とが、共振器のミラーとなっている。面Ｐ１は、励起光のＡＲコートと、共振する固体レーザ光及び発生する波長変換光のＨＲコートとを有している。面Ｐ２は、固体レーザ光のＨＲコートと、波長変換光のＡＲコートとを有し、出力ミラーとなっている。

レーザ結晶４６からは中心波長１０６３．０ｎｍの波長が発振し、レーザ結晶５６からは中心波長１０６４．４ｎｍの波長が発振し、固体レーザ光は、面Ｐ１と面Ｐ２との間を共振している。波長変換素子６６では、それぞれの固体レーザ光の第２高調波である５３１．５ｎｍと５３２．２ｎｍとを中心波長とする波長変換光と、２つの固体レーザ光の波長の和周波である５３１．９ｎｍを中心波長とする波長変換光とが、発生して出力される。

接合された２つのレーザ結晶４６、５６及び波長変換素子６６からなる複合結晶は、上部ヒートシンクＨ１と下部ヒートシンクＨ２とにＡｇペーストを介して挟まれ、上部ヒートシンクＨ１と下部ヒートシンクＨ２とは、Ｃｕを主成分とする材料から構成されている。また、複合結晶の面Ｐ１側には、下部ヒートシンクＨ２の一部が２箇所突き出しており、この部分が入射面側ヒートシンクＨ３となり、複合結晶とＡｇペーストを介して接着されている。入射面側ヒートシンクＨ３は、励起光を遮らないように励起光スポットの脇の２箇所に配置されている。入射面側ヒートシンクＨ３は、複合結晶の位置決めと入射面側の固体レーザ結晶４６の温度を下げる働きをしている。なお、ヒートシンクの構成は、上記の例に特に限定されず、他の側面に配置したり、複合結晶の形状等に応じて種々の変更が可能である。

複合結晶では、励起光を吸収することで発熱し、複合結晶の中央部の温度が複合結晶の側面よりも高くなり、熱レンズ効果を示す。この熱レンズ効果により、面Ｐ１と面Ｐ２とで固体レーザ光のビームが収束し、固体レーザ光が面Ｐ１と面Ｐ２との間を共振する。

波長変換レーザ６００は、２種類以上のレーザ結晶が、励起ＬＤ側に最も励起光の吸収係数が少ないレーザ結晶が位置するようにレーザ結晶同士を貼り合わされ、一つの励起ＬＤにより励起される好ましい形態である。

上記のように、レーザ結晶４６、５６を貼り合せることにより、レーザ結晶間で必要となるコーティングが不要となり、共振器内の損失を減らすことができる。また、励起ＬＤ側のレーザ結晶４６の励起光の吸収係数を少なくすることにより、励起ＬＤ側のレーザ結晶４６の発熱を抑えながら、励起ＬＤ１６から見て遠くに位置するレーザ結晶５６に励起光を吸収させて発振させる。この結果、複数の固体レーザ光からの異なる波長の発振を得ることができる。

本実施の形態においては、複数のレーザ結晶４６、５６が必要となり、調整部品が増える場合があるが、レーザ結晶４６、５６を貼り合わせるとともに、一つの励起ＬＤ１６を用いているので、調整部品を減らすことができるとともに、コンパクトな構成とすることができる。特に、波長変換レーザ６００では、波長変換素子６６も貼り合わせることにより、さらに調整部品を減らし、非常にコンパクトな構成を実現している。

また、波長変換レーザ６００は、貼り合わせたレーザ結晶４６、５６の励起光の入射面Ｐ１のうち励起光が入射されない領域及びレーザ結晶４６、５６の側面（図中の上面及び下面）を、ヒートシンクとなる上部ヒートシンクＨ１、下部ヒートシンクＨ２及び入射面側ヒートシンクＨ３と接合し、励起光入射側のレーザ結晶４６の温度が他のレーザ結晶５６の温度よりも低くなる好ましい形態である。

ここで、貼り合わせたレーザ結晶を用いた波長変換レーザでは、構成がコンパクトになり、熱が小さい場所に集中する場合があるが、本実施の形態では、複合結晶の側面及び入射面にヒートシンクをもたせることにより、熱の局所集中を緩和し、安定動作を可能とする。特に、励起光入射側のレーザ結晶４６は、他のレーザ結晶で減衰する前の、パワーが大きい励起光を入射されるため、発熱量が高くなりやすいが、入射面側に入射面側ヒートシンクＨ３を配し、レーザ結晶の吸収係数を低くすることにより、励起ＬＤ側のレーザ結晶４６の温度を他のレーザ結晶５６よりも低くすることができる。

この結果、固体レーザ光の光路上で最も温度差が生じる励起光入射面の温度差を低減し、熱による歪みを緩和することができる。これにより、ハイパワーでの動作が可能となる。特に、本実施の形態のように、発振波長が短いレーザ結晶４６を励起ＬＤ側に配し、励起ＬＤ側のレーザ結晶温度を低くすることは、温度シフトによりレーザ結晶の発振波長の隔たりを大きくし、出力する波長変換光のスペクトル幅を拡げる効果がある。

（実施の形態７）
本実施の形態は、図１に示す実施の形態１の波長変換レーザ１００を用いて、所定の駆動回路により励起ＬＤ１を変調するものである。図１０は、波長変換レーザ１００を連続発振した場合に出力される波長変換光のスペクトル分布の模式図であり、図１１は、波長変換レーザ１００の励起ＬＤ１を変調させた場合に出力される波長変換光のスペクトル分布の模式図である。

図１０に示すように、連続発振時には、レーザ結晶４（Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４）で発振する固体レーザ光ＩＲ１の第２高調波ＳＨＧ１と、レーザ結晶５（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）で発振する固体レーザ光ＩＲ２の第２高調波ＳＨＧ２と、第２高調波ＳＨＧ１と第２高調波ＳＨＧ２との和周波ＳＦＧ１との３つの波長ピークが明確に識別される。このように、複数の波長を同時に出力することにより、波長変換レーザ１００は、干渉ノイズの低減が可能となる。

さらに波長変換レーザのコヒーレンシーを低減するためには、出力されるスペクトル分布を平坦化することが好ましい。図１１の励起ＬＤ変調時の出力は、このスペクトル分布の平坦化を実現したものである。励起ＬＤ１は、繰り返し周波数１２０Ｈｚ、ｄｕｔｙ０．３の矩形波形の変調を行っている。ミリ秒〜マイクロ秒オーダの繰り返し周期で励起ＬＤ１の駆動電流の変調を行うことにより、レーザ結晶４、５の温度は、励起ＬＤ１の励起光出射時の上昇と、励起ＬＤ１の停止時の下降とを繰り返し、時間的に温度が変化することとなる。このとき発振される固体レーザ光の波長は、温度状態により変化し、時間積算すると、スペクトル幅が拡がることとなる。

本実施の形態の波長変換レーザ１００では、それぞれのレーザ結晶４、５から発振されるスペクトル幅を拡げることにより、図１１に示すように、変換された波長変換光のスペクトル幅を拡げることができる。特に、本実施の形態では、第２高調波及び和周波を同時に発生するため、時間積算したとき、第２高調波ＳＨＧ１、ＳＨＧ２と和周波ＳＦＧ１とでスペクトルの重なりが増加し、スペクトル分布の平坦化を実現することができる。こうして、スペクトル分布を平坦化することにより、コヒーレンシーをさらに低減し、スペックルノイズなどの干渉性ノイズの更なる低減が可能となる。

（実施の形態８）
図１２は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザ１１０の概略構成図であり、図１３は、図１２に示す波長変換レーザ１１０から出力される波長変換光のスペクトル分布の模式図である。なお、図１２において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

図１２に示す波長変換レーザ１１０は、図１に示す波長変換レーザ１００の波長変換素子６を、多周期構造を有する波長変換素子６７に変更したものである。波長変換素子６７は、２つの分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３からなる。２つの周期が形成されている長さは、共振するレーザ光の光軸方向にそれぞれ３ｍｍあり、波長変換素子６７の結晶長は６ｍｍとなっている。２つの周期は、６．９７μｍと７．００μｍとであり、それぞれレーザ結晶４（Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４）の第２高調波ＳＨＧ１の変換効率と、レーザ結晶５（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）の第２高調波ＳＨＧ２の変換効率とが、高くなるように設計されている。波長変換素子６７は、波長変換素子６と同様に、レーザ結晶５側の端面６７ａに固体レーザ光のＡＲコート及び波長変換光のＨＲコートを有し、平面ミラー７側の端面６７ｂに固体レーザ光のＡＲコート及び波長変換光のＡＲコートを有し、固体レーザ光の光軸に対し傾けて配置されている。

波長変換素子６７は、各レーザ結晶４、５の発振波長の第２高調波発生に対応する周期を有することにより、第２高調波ＳＨＧ１及び第２高調波ＳＨＧ２への波長変換効率を高め、相対的に和周波発生の波長変換効率を低くしている。波長変換効率は、各レーザ結晶で発振されるレーザ光パワーと、周期できまる位相整合条件からのずれ量とに依存する。複数のレーザ結晶４、５を用いる本実施の形態の場合、固体レーザ光の波長分布が広いため、レーザ結晶を１種のみ用いる場合に比べて、位相整合条件からのずれが生じやすく、各波長に対応する第２高調波への波長変換効率は低くなりやすい。このため、本実施の形態では、波長変換素子６７が複数の周期を持ち、各レーザ結晶４、５の第２高調波発生に対応する周期を有することにより、第２高調波への波長変換効率が低くなることを防いでいる。

また、分極反転周期構造が単周期の場合、複数の固体レーザ光からの変換によって和周波を発生させているため、和周波の強度が第２高調波よりも強くなる傾向にある。このため、本実施の形態では、周期をそれぞれの固体レーザ光の第２高調波発生に対応させることにより、和周波を発生する場合に位相整合条件からのずれが生じるようにすることができる。

この結果、図１３に示すように、第２高調波ＳＨＧ１及び第２高調波ＳＨＧ２への波長変換効率を高くし、和周波ＳＦＧ１への波長変換効率を低下させて相対的に和周波ＳＦＧ１の強度を下げ、波長変換光のスペクトル分布の平坦化が可能となる。このスペクトル分布の平坦化は、コヒーレンシーの低減を進め、スペックルノイズなどの干渉ノイズの更なる低減が可能となる。また、複数周期の分極反転周期構造の波長変換素子を用いることにより、波長変換が可能な波長変換素子の温度を自由に設定することができる。

なお、本実施の形態では、２つの周期の波長変換素子を用いているが、３以上の周期を有する波長変換素子を用いることもできる。また、複数のレーザ結晶に対応する周期を持てば、周期は一定である必要はなく、周期の微小変動が含まれていてもよい。

（実施の形態９）
図１４は、本発明の実施の形態９における波長変換レーザ９００の概略構成図である。なお、図１４において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

波長変換レーザ９００は、低コヒーレントの波長変換レーザを得るため、広帯域のレーザ発振ができるＹｂドープのレーザ結晶４８及び多周期波長変換素子６８を共振器内に有する。レーザ結晶４８は、単結晶だけでなく、セラミックス等であってもよい。例えば、レーザ結晶４８は、Ｙｂ１０ａｔ．％：ＹＡＧセラミックスからなり、Ｙｂ濃度が非常に高いレーザ材料である。この場合、発振ゲインは、１０２０〜１０８０ｎｍの非常に広い範囲に及ぶ。レーザ結晶４８は、固体レーザ光の光軸方向に１ｍｍの厚みを有するマイクロチップであり、その外形は、３×３×１ｍｍである。

波長変換素子６８は、４つの分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶からなる。波長変換素子６８には、１０２０ｎｍ、１０４０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１０８０ｎｍの第２高調波発生に対応する周期である６．１μｍ、６．５μｍ、６．９μｍ、７．３μｍの４周期がそれぞれ０．２ｍｍの長さで形成され、波長変換素子６８は、固体レーザ光の光軸方向が０．８ｍｍの素子である。波長変換素子６８は、固体レーザ光に対してブリュースター角となるように配置され、共振するレーザ光の偏光をＰ偏光とし、Ｐ偏光の波長変換を行う。

励起ＬＤ１８は、９４０ｎｍの励起光を出射し、励起光は、集光光学系２８により、共振する固体レーザ光と重なるようにレーザ結晶４８内に入射する。凹面ミラー３８は、１０２０〜１０８０ｎｍの固体レーザ光のＨＲコートを有し、５１０〜５４０ｎｍのＡＲコートを有し、波長変換光を出力する。レーザ結晶４８の励起ＬＤ側の端面４８ａは、９４０ｎｍのＡＲコートと、固体レーザ光のＨＲコートとを有し、端面４８ａ及び凹面ミラー３８は、共振器ミラーとなっている。レーザ結晶４８の波長変換素子６８側の端面４８ｂは、固体レーザ光のＡＲコートと、波長変換光のＨＲコートとを有し、波長変換光Ｓ２を反射する。反射された波長変換光Ｓ２は、固体レーザ光路とずれた光路を通って凹面ミラー３８から出力される。

複数の周期を持つ多周期波長変換素子６８を共振器内に有することにより、Ｙｂをドープしたレーザ結晶４８は、広いゲイン内で複数の波長を発振する。波長変換素子６８は、共振する複数の固体レーザ光の第２高調波と和周波とを発生し、この波長変換光が凹面ミラー３８から出力される。出射される波長変換光は、５１０〜５４０ｎｍの非常に広い帯域に及び、低コヒーレントで干渉ノイズは除去されている。

波長変換レーザ９００は、発振ゲインが広いレーザ結晶４８と複数周期を有する波長変換素子６８とを共振器内に有し、複数の波長の固体レーザ光が共振し、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に発生させる好ましい形態である。また、複数周期を有する波長変換素子６８により、各周期に対応する固体レーザ光の波長に共振器ロスを与え、共振する波長を複数としている。そして、共振する複数の波長の第２高調波及び和周波を波長変換素子６８で発生させることにより、低コヒーレントな波長変換レーザが達成される。

また、従来、発振ゲインが広いレーザ結晶の波長変換には、波長をロックする機構が必要であったが、本実施の形態では、複数周期の波長変換素子６８を共振器内に用いることにより、波長をロックすることなく、波長変換が可能である。また、第２高調波及び和周波を同時に発生させることにより、高効率な波長変換を達成することができる。

（実施の形態１０）
図１５は、本発明の実施の形態１０における緑色波長変換レーザ１５０を用いた画像表示装置１０００の概略図である。なお、図１５において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

画像表示装置１０００は、緑色のレーザ光を出射する緑色波長変換レーザ１５０、赤色のレーザ光を出射する赤ＬＤ１０１０、及び青色のレーザ光を出射する青ＬＤ１０２０を有するレーザプロジェクタである。

緑色波長変換レーザ１５０は、８８０ｎｍの波長を出射する励起ＬＤ１６、集光光学系２６、レーザ結晶（Ｎｄ０．５％：ＧｄＶＯ_４）４９、レーザ結晶（Ｎｄ３％：ＹＶＯ_４）５９、波長変換素子６及び凹面ミラー３１を備える。レーザ結晶４９とレーザ結晶５９とは、直接接合により光学的に接合されている。レーザ結晶４９と、凹面ミラー３１とが固体レーザの共振器ミラーとなっている。

励起ＬＤ１６から出射した光は、集光光学系２６により、レーザ結晶４９とレーザ結晶５９とに入射して吸収される。レーザ結晶４９とレーザ結晶５９とは、異なる波長の発振を行う。波長変換素子６は、共振する複数の波長の第２高調波及び和周波を発生し、凹面ミラー３１から波長変換光を出力する。

このとき、波長変換素子６は、レーザ結晶５９側に波長変換光のＨＲコートを有し、固体レーザ光に対して傾いた状態で共振器内に挿入されている。波長変換光は、２つの光路から出力され、一方は、固体レーザ光からずれた位置から出力される。レーザ結晶４９とレーザ結晶５９とは、それぞれの厚みが１ｍｍあり、両者を貼り合わせることで２ｍｍの厚みとなっている。レーザ結晶４９は、固体レーザ光のＨＲコートと、励起光のＡＲコートとを励起ＬＤ１６側に有し、レーザ結晶５９は、固体レーザ光のＡＲコートを凹面ミラー３１側に有する。

赤ＬＤ１０１０及び青ＬＤ１０２０を出射した光は、コリメータ１０２５でコリメートされ、緑色波長変換レーザ１５０から出射する２つのビームと、合波プリズム１０３０で合波される。合波された光は、照明光学系１０４０により、矩形で均一な強度をもつ光に整形される。

照明光学系１０４０は、クロスレンチキュラーレンズ及び拡がり角補償レンズからなる。整形されたビームは、偏光ビームスプリッターであるＰＢＳ１０６０を経て、空間光変調素子１０５０を照明する。空間光変調素子１０５０は、反射型ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）からなり、偏光の回転により階調を表す。空間光変調素子１０５０を反射してＰＢＳ１０６０を通過した変調された光は、投射レンズ１０７０により表示面１０８０に拡大投射される。

また、赤ＬＤ１０１０と青ＬＤ１０２０には、マルチモードＬＤを用い、スペクトル分布を拡げている。緑色波長変換レーザ１５０は、複数の波長の固体レーザ光からの第２高調波及び和周波を出力し、スペクトル分布を拡げている。

画像表示装置１０００は、複数の異なる波長の固体レーザ光からの第２高調波及び和周波を安定して出力する低コヒーレントな緑色波長変換レーザ１５０と、出力した波長変換光の変調を行う空間光変調素子１０５０とを有する好ましい形態である。この場合、スペクトル分布が拡がった低コヒーレントな波長変換光を用いることにより、画像ノイズとなるスペックルノイズを低減し、高品位の画像を表示することができる。

本実施の形態のような波長変換レーザは、特に視感度が高い緑色レーザに用いることが好ましい。緑色は視感度が高いため、スペックルノイズが視聴者に認識されやすい。波長変換レーザ１５０を緑色に用いることにより、スペックルノイズは視聴者に認識されなくなる。

空間光変調素子１０５０は、赤、緑、青のレーザ光を時分割で変調を行う。各色のレーザ光源１０１０、１０２０、１５０からは、赤、青、緑のレーザ光が順次出射され、緑色波長変換レーザ１５０も、波長変換光の出射と停止とを繰り返すこととなる。このとき、励起ＬＤ１６が励起光の出射と停止とを繰り返すことにより、レーザ結晶４９、５９及び波長変換素子６では、出力時に温度変化が生じる。この温度変化により、波長変換レーザ１５０の発振波長が出力時に変化する。発振波長が変化することにより、波長変換光を時間積分するとき、波長変換レーザ１５０のスペクトル分布はさらに拡がり、コヒーレンシーはさらに低下する。

上記のように、画像表示装置１０００は、赤、青、緑の波長を発振するレーザ光源を有し、少なくとも緑のレーザ光源に波長変換レーザ１５０を用い、レーザ光源は色毎にレーザ光を順次出射し、波長変換レーザ１５０は、ビームの出射と停止とを繰り返し、出射時に励起光により過熱され、停止時に冷却されることにより、波長変換レーザ１５０のスペクトル幅を拡げる好ましい形態である。

このように、レーザ光源からのレーザ光の順次出射を用いることにより、認識し易い緑色のスペックルノイズの除去を行うことができる。このとき、赤及び青に半導体レーザ光源を用いることが好ましい。赤及び青のレーザ光源においても、出射時にレーザチップの温度変化が生じて発振波長が変化し、時間積分した時のスペクトル分布を拡げることが可能となる。こうして、カラー画像を表示する赤、緑、青の全てのレーザ光において、スペックルノイズを除去することができる。また、光源全てにレーザ光源を用いることにより、画像表示装置１０００の小型化、薄型化及び省電力化が可能となる。

なお、画像表示装置１０００の波長変換光の空間光変調素子には、透過型液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などの空間変調素子を用いることもできる。また、透過型液晶においては、投射レンズを用いず、液晶面を表示面とする形態としてもよい。また、変調素子は、空間光変調素子だけでなく、波長変換光の強度変調と走査光学系とを組み合わせる形態としてもよい。また、本実施の形態では、照明光学系１０４０にレンチキュラーレンズを用いたが、この例に特に限定されず、ロッドインテグレータやフライアイレンズを用いることができる。また、画像表示装置に適用可能な波長変換レーザは、本実施の形態に特に限定されず、他の実施の形態の波長変換レーザを用いてもよい。

（実施の形態１１）
図１６は、本発明の実施の形態１１における波長変換レーザ１１１の概略構成図である。なお、図１６において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

半導体レーザである励起ＬＤ１は、レーザ結晶３０を励起する励起光ＥＬを発振する。励起ＬＤ１は、８０８ｎｍ帯を発振する波長ロック型ワイドストライプ半導体レーザである。なお、固体レーザの励起を行う半導体レーザは、レーザ結晶の励起可能波長を発振できればよい。

励起ＬＤ１を出射した励起光ＥＬは、集光光学系２により、レーザ結晶３０内で共振する固体レーザ光と重なるように集光される。集光光学系２は、励起ＬＤ１の活性層の厚み方向の励起光ＥＬのビーム径を制御するレンズ２ａと、活性層の幅方向の励起光ＥＬのビーム径を制御するレンズ２ｂとの２つのレンズからなる。集光光学系２は、レーザ結晶３０内で励起光ＥＬと固体レーザ光ＩＲとが重なりを有するように励起光のビーム径を制御するものであればよい。

励起光ＥＬは、レーザ結晶３０に入射して吸収される。このような半導体レーザ励起固体レーザは、励起光と固体レーザ光との結合効率が高く、高効率発振が行える。本発明の固体レーザとは、例えば、波長変換光に変換される基本波を発振するレーザを指す。固体レーザの共振器は、レーザ結晶３０の励起ＬＤ側の端面３ａと、波長変換素子５０のレーザ出射側の端面５ｂとを反射面として構成され、縦マルチモードで発振を行っている。

波長変換レーザ１１１は、レーザ結晶３０と波長変換素子５０との間にレンズ８を有する。レンズ８は、固体レーザ光ＩＲのビーム径がレーザ結晶３０よりも波長変換素子５０内で小さくなるようにビーム整形し、共振が行われる。波長変換素子５０は、共振する縦マルチモードの固体レーザ光ＩＲの波長変換を行い、第２高調波及び和周波を発生する。本発明の波長変換レーザとは、例えば、励起ＬＤ、固体レーザ、及び固体レーザの共振器内の波長変換素子を含む、波長変換光を発生させるための装置全体を指す。

レーザ結晶３０は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度２．０ａｔ．％、厚み１．０ｍｍ）の平行平板のマイクロチップからなる。レーザ結晶３０は、端面３ａに励起光（波長８０８ｎｍ）のＡＲコートと、固体レーザ光（波長１０６４ｎｍ）のＨＲコートとを有し、もう一方の端面３ｂに固体レーザ光のＡＲコートを有している。なお、レーザ結晶３０は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４を用いているが、レーザ発振可能な固体材料であればよく、特に限定されない。好ましくは、マイクロチップ固体レーザとなるヴァナデート系結晶に活性イオンを添加した結晶である。

レンズ８は、球面平凸レンズであり、凸面８ａがレーザ結晶側、平面８ｂが波長変換素子側となるように配置される。レンズ８は、固体レーザ光のＡＲコートと、波長変換光（波長５３２ｎｍ）のＨＲコートとを有している。レンズ８は、レンズの屈折中心が固体レーザ光ＩＲの光軸に対し偏芯して配置され、固体レーザ光ＩＲの光軸は、レンズ８により傾けられている。

波長変換素子５０は、周期的な分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）のマイクロチップ（厚み０．５ｍｍ）からなる。波長変換素子５０は、分極反転周期構造を有する非線形材料であればよく、分極反転周期は、波長変換光が生成するように設定されている。分極反転周期は、一定である必要はなく、用途により非周期的な部分を有する。好ましくは、非線形定数の高いＬｉＮｂＯ_３系又はＬｉＴａＯ_３系の材料を用いる。固体レーザ光が通過する波長変換素子５０は、その有効体積が１ｍｍ^３のマイクロチップから構成される。固体レーザ光の通過する方向の波長変換素子５０の厚みは、好ましくは１ｍｍ以下である。１ｍｍ以下とすることにより、温度制御が必要ない波長変換レーザとすることができる。

波長変換素子５０は、励起ＬＤ側の端面５ａに固体レーザ光及び波長変換光のＡＲコートを有し、もう一方の端面５ｂに固体レーザ光のＨＲコートと波長変換光のＡＲコートとを有する。波長変換素子５０は、平行平板形状となっており、固体レーザ光の光軸が傾くのに対応して、傾斜されて配置されている。レンズ８の平面８ｂと固体レーザ光ＩＲの光軸との傾斜角度は、固体レーザ光ＩＲの拡がり角より大きくされている。本実施の形態の固体レーザ光の拡がり角とは、レンズ８と波長変換素子５０との間の固体レーザ光の拡がりの半値半幅の角度を指す。

波長変換素子５０を図右方向に通過する固体レーザ光を波長変換して得られた波長変換光Ｓ１は、波長変換素子５０の端面５ｂから共振器外部に出力される。波長変換素子５０を図左方向に通過する固体レーザ光を波長変換して得られた波長変換光Ｓ２は、レンズ８の平面８ｂに反射された後、共振器外部に出力される。波長変換光Ｓ２は、レンズ８により反射されるため、レーザ結晶３０に入射することなく、外部に取り出される。

このように、本実施の形態では、レンズ８の反射面となる平面８ｂは、固体レーザ光に対し傾斜している。このため、波長変換光Ｓ２は、固体レーザ光と異なる方向に反射され、固体レーザ光と同じ光路を通って波長変換素子５０に再入射することなく、共振器外部に出力される。この結果、本実施の形態では、波長変換光Ｓ２は、波長変換素子５０に再入射することなく、共振器外部へ出力される。

レンズ８の凸面８ａ側から光を入射した時の主点ＬＣとレーザ結晶３０との距離Ｌ１は、レーザ結晶３０の厚み（空気長換算）を含めて６ｍｍである。レンズ８の主点ＬＣと波長変換素子５０との距離Ｌ２は、波長変換素子の厚み（空気長換算）を含めて３．３ｍｍである。レンズ８の焦点距離ｆは、３ｍｍである。

上記の構成により、本実施の形態では、レーザ結晶３０での固体レーザ光のビーム径は、約１１０μｍ、波長変換素子５０での固体レーザ光のビーム径は、約４０μmとなっており、波長変換素子５０内のビーム径が、レーザ結晶３０のビーム径に対し１／２以下に小さくなっている。共振器内の内部パワーが同じならば、ビーム径を１／２以下とすることにより、変換効率を４倍以上にすることができる。

また、本実施の形態では、共振器長も約９ｍｍと非常にコンパクトな共振器の構成となっており、励起ＬＤ１からレーザ結晶３０までの距離は、約６ｍｍであり、波長変換レーザ１１１は、全長約１５ｍｍで構成され、光学部材のホルダとヒートシンクとを併せて約２ｃｃのモジュールとなっている。このように、非常にコンパクトな波長変換レーザ１１１が実現されている。

また、本実施の形態では、レーザ結晶３０及び波長変換素子５０がマイクロチップから構成される。レーザ結晶３０及び波長変換素子５０を小型化することにより、波長変換レーザ１１１を数ｃｃ程度の非常に小さいものにすることができる。また、波長変換素子５０をマイクロチップとすることにより、波長変換を行う位相整合の温度許容幅を大きくし、波長変換素子５０を温度制御しなくとも動作できるようにする。例えば、波長変換素子５０の厚みを０．５ｍｍとした本実施の形態では、５０度以上の温度許容幅を有し、温度制御せずに使用することができる。このように温度制御を不要とするためには、波長変換素子５０の厚みは、１ｍｍ以下であることが好ましい。

また、本実施の形態は、半導体レーザ励起固体レーザの共振器内に波長変換素子５０を有する波長変換レーザ１１１において、固体レーザは縦マルチモード発振を行い、波長変換素子５０は、分極反転周期構造を有するマイクロチップからなり、縦マルチモード発振の第２高調波及び和調波を発生する波長変換を行い、固体レーザのレーザ結晶３０と波長変換素子５０との間に固体レーザ光のビーム径をレーザ結晶３０よりも波長変換素子５０内で小さくし、且つ波長変換された光を反射するレンズ８を有し、レーザ結晶３０及び波長変換素子５０の端面が固体レーザの共振器の反射面を兼ねることを特徴としている。

上記の構成とすることにより、波長変換効率を高めるとともに、損失を低減し、高効率な波長変換レーザ１１１ができる。また、本実施の形態では、固体レーザを縦マルチモード発振させるため、エタロンなどの波長選択素子を用いる必要がなく、小型化及び低損失化ができ、シングルモード時で生じる高出力での不安定性もない。さらに、縦マルチモードを用いることにより、波長変換光も第２高調波及び和周波の縦マルチモードとなり、映像分野や照明分野で応用できる干渉ノイズの低減されたレーザを得ることができる。

また、本実施の形態では、縦マルチモードの波長変換と広い温度許容幅とにより、温度制御を不要とすることを実現するため、波長変換素子５０のマイクロチップ化を行っている。波長変換素子のマイクロチップ化は、変換効率の低下という課題が生じるが、これを解決するため、レンズ８により波長変換素子５０のビーム径を小さくし、波長変換素子５０内での光パワー密度を高め、変換効率を高めている。

ここで、変換効率は、光パワー密度に比例するため、波長変換素子５０に損傷や発熱が生じない程度まで、ビームを集光することが好ましい。共振器内のレンズ８により波長変換素子５０内のビームを集光する場合、波長変換素子５０の端面５ｂを固体レーザの共振器の反射面とすることにより、理想的にビームを集光することと、共振器の小型化とを両立させることができる。また、波長変換素子５０の端面５ｂを共振器の反射面とすることにより、固体レーザ光のビームウェスト位置と波長変換素子５０の端面５ｂとを一致させている。

共振器内のレンズ８は、レーザ結晶３０の固体レーザビーム径を大きくすることにより、固体レーザ光と励起光の結合効率を高めながら、レーザ結晶３０の過度の温度上昇を防いでいる。すなわち、マイクロチップ固体レーザでは、レーザ結晶の温度上昇により、高出力化及び安定性が阻害されるという課題があるが、本実施の形態では、励起光の光パワー密度を抑えても、励起光と固体レーザ光の結合効率が高いため、励起光の光パワー密度を低下させ、レーザ結晶３０の温度上昇を防ぐことができる。また、レンズ８により波長変換素子５０内の光パワー密度を増大させることにより、変換効率を高め、励起パワーに対する出力を大きくし、共振器内の熱量を減少させ、レーザ結晶３０の温度上昇を防ぐことを助けている。

また、本実施の形態では、レーザ結晶３０及び波長変換素子５０を固体レーザの共振器の反射面とすることにより、固体レーザ及び共振器をレーザ結晶３０、レンズ８、及び波長変換素子５０の３点の部材のみから構成することができるので、部材が増えることによる共振器の内部損失の増加をなくし、また、コンパクト化を行うことができる。また、レンズ８による波長変換光の反射は、波長変換光がレーザ結晶３０に入射して吸収されることによる損失をなくすことができる。

また、レンズ８により波長変換光を反射することにより、固体レーザ光から波長変換光をずらして出力することができる。波長変換光と固体レーザ光とが一致して波長変換素子に再入射する場合、上記したマルチモード波長変換時のＧｒｅｅｎ Ｐｒｏｂｌｅｍと呼ばれるモード競合ノイズが生じるが、これを防ぐことができる。

また、波長変換光である緑色光と、固体レーザ光である赤外光とが波長変換素子に重なって通過する時に、ＧＲＩＩＲＡ（Ｇｒｅｅｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ ＩＲ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）と呼ばれる波長変換素子内の光吸収現象が発生し、ＧＲＩＩＲＡは、固体レーザ光から波長変換光に変換する効率の低下をもたらすが、本実施の形態では、この波長変換素子内の光吸収現象も防ぐことができる。

また、本実施の形態では、波長変換素子５０のマイクロチップ化による変換効率の低減を緩和するため、単位長さあたりの変換効率が高い擬似位相整合を用いた分極反転周期構造を有する波長変換素子を用いている。この場合、波長変換素子５０内のビーム径を小さくして波長変換光への変換効率を高めることができるので、共振器の内部パワーを低下させることができる。この内部パワーの低下は、共振器内の光学部材による損失を小さくすることができる。この結果、光学部材による損失を小さくすることにより、光学部材の仕様を緩和し、部材コストの低減を行うことができる。

また、本実施の形態は、レンズ８の少なくとも一方の面である平面８ｂが、固体レーザ光の拡がり角より大きな傾斜角で固体レーザ光に対して傾斜し、レンズ８の平面８ｂで反射される波長変換光が、共振器内で固体レーザ光路と分離して共振器外部に出力される好ましい形態である。

図１７は、図１６に示す波長変換レーザ１１１の固体レーザ光ＩＲとレンズ８の平面８ｂとの傾斜角を説明するための拡大図である。図１７において、傾斜角θ１は、レンズ面となるレンズ８の平面８ｂが固体レーザ光ＩＲの光軸ＯＡに対して傾斜している角度を表す。固体レーザ光ＩＲの光軸ＯＡと一致した方向に出力される波長変換光Ｓ１と、レンズ８の平面８ｂで反射される波長変換光Ｓ２とは、傾斜角θ１の２倍の角度だけ分かれて出力される。また、拡がり角θ２は、レンズ８と波長変換素子５０との間の固体レーザ光ＩＲの拡がり角である。拡がり角θ２は、固体レーザ光ＩＲの強度の半値までの半角に相当する。

波長変換レーザ１１１では、θ１＞θ２の関係にあり、レンズ８の平面８ｂが固体レーザ光ＩＲの拡がり角θ２よりも傾斜している。反射した波長変換光Ｓ２は、固体レーザ光ＩＲの拡がり角θ２よりも大きく傾いて進むため、共振器内で固体レーザ光ＩＲの光路と分離することとなる。

ここで、波長変換光が、波長変換素子に固体レーザ光と重なって入射する場合、逆変換が発生し、固体レーザ光と類似する波長が生成され、モード競合を発生し、固体レーザの発振が不安定になったり、出力しなくなる場合がある。

このため、本実施の形態では、共振器内のレンズ８の反射及び傾斜を用いて、波長変換光を分離し、発振が不安定になる要因を除去する。また、波長変換光Ｓ２が波長変換素子５０に固体レーザ光と重なって入射しないため、ＧＲＩＩＲＡが生じず、変換効率を低下させることもない。さらに、レーザ結晶３０で熱レンズが生じた場合でも、共振器内にレンズ８を有する構成は、レンズ８と波長変換素子５０との間の固体レーザ光の拡がり角が大きくならず、波長変換光と固体レーザ光とが波長変換素子５０内で重なることを防ぐ。

また、本実施の形態では、レンズ８が平凸レンズからなり、波長変換素子５０側の面５ｂが平面である好ましい形態である。本実施の形態では、共振器内のレンズ８が波長変換光の反射機能を有するが、この反射面となる面４ｂを平面とすることにより、反射する波長変換光Ｓ２の方向の調整を容易にすることができる。本実施の形態の固体レーザ光の、レーザ結晶３０とレンズ８との間のビーム拡がり角が、波長変換素子５０とレンズ８との間の拡がり角よりも小さく、レーザ結晶３０とレンズ８との間の固体レーザ光は、平行光に近い。本実施の形態では、レンズ８に平凸レンズを用い、凸面をレーザ結晶側、平面を波長変換素子側とすることにより、固体レーザの共振器内の収差を小さくすることもできる。

また、本実施の形態は、レーザ結晶３０とレンズ８の主点ＬＣとの間の距離Ｌ１と、波長変換素子５０とレンズ８の主点ＬＣとの間の距離Ｌ２と、レンズ８の焦点距離ｆとは、以下の関係を満たす好ましい形態である。

ｆ＜Ｌ２＜Ｌ１ …（式１）
Ｌ２＜２×ｆ …（式２）
Ｌ１＋ｆ＞２×Ｌ２ …（式３）
Ｌ１−ｆ＜２０ｍｍ …（式４）

本実施の形態では、距離Ｌ１は６ｍｍ、距離Ｌ２は３．３ｍｍ、焦点距離ｆは３ｍｍである。（式１）〜（式４）の４つの関係を満たすことにより、固体レーザ光のビーム径を波長変換素子５０内で集光して波長変換効率を高め、レーザ結晶３０で熱レンズが生じた場合でも、共振を持続させることを可能とし、また、コンパクトな構成を実現することができる。すなわち、（式１）〜（式４）を満たすことにより、熱レンズが生じた場合でも、共振条件を満たし、且つ共振器長を短くすることができる。また、（式１）〜（式３）を満たすことにより、共振条件を満たしながら、固体レーザの波長変換素子５０内のビーム径をレーザ結晶３０内のビーム径の１／２未満とする。

なお、共振器内に挿入するレンズは、正のレンズパワーを持ち、焦点距離が（式１）〜（式４）を満たす形状であればよい。レンズ材料には、人工石英やＢＫ７などの一般的な材料を用いることができる。

（実施の形態１２）
図１８は、本発明の実施の形態１２における波長変換レーザ１１２の概略構成図である。なお、図１８において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。また、図１８は、図１７に対し、レーザ光のビーム径と光学素子の大きさの比を実際の寸法に近づけた図となっている。

図１８に示す波長変換レーザ１１２は、レンズ８の波長変換光Ｓ２の反射位置を光軸とする合成光学系９を備え、合成光学系９が、レンズ８で反射される波長変換光Ｓ２と、レンズ８に入射しない波長変換光Ｓ１との２本の波長変換光を一つのビームとして扱えるように合成する好ましい形態である。

本実施の形態では、波長変換素子５０から直接共振器外へ出射する波長変換光Ｓ１と、レンズ８で反射した後に共振器外へ出射する波長変換光Ｓ２との２つの波長変換光が、生成される。２つの波長変換光を合成する合成光学系９を波長変換素子５０の直後に設け、固体レーザと組み合わせることにより、出力を１つのビームとして取り扱い、各用途に応じたビーム整形を行うことができる。

具体的には、合成光学系９は、１枚の球面平凸レンズからなり、合成光学系９の光軸Ｏ１をレンズ８の波長変換光Ｓ２が反射する位置ＲＰ（例えば、波長変換光Ｓ２の反射領域の中心位置）に合わせている。波長変換光Ｓ２が固体レーザ光から分岐するレンズ８の反射位置ＲＰに、合成光学系９の光軸Ｏ１を合わせることにより、２本の波長変換光Ｓ１、Ｓ２を同軸ビームとして扱うことができる。また、合成光学系９の焦点位置をレンズ８の反射位置ＲＰと合わせることにより、２本の波長変換光Ｓ１、Ｓ２の略平行化を行っている。厳密には、２本の波長変換光Ｓ１、Ｓ２のそれぞれのビームウェストの位置は異なるが、近似的に２本の波長変換光Ｓ１、Ｓ２を同軸の平行光として取り扱うことができる。

なお、合成光学系９は、１つのレンズで構成してもよいが、複数の光学部品を組み合わせた構成でもよい。例えば、２本の波長変換光のビームウェストの位置を光学的に一致させるため、レンズ８を反射して出力される波長変換光Ｓ２にのみ高屈折率板を透過させるような形態としてもよい。

（実施の形態１３）
図１９は、本発明の実施の形態１３における波長変換レーザ１１３の概略構成図である。なお、図１９において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

図１９において、励起ＬＤ１を出射した励起光は、集光光学系２により、低ドープレーザ結晶３０ａ及び高ドープレーザ結晶３０ｂで共振器内の固体レーザ光と重なるように集光される。

低ドープレーザ結晶３０ａは、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度０．５ａｔ．％、厚み０．２５ｍｍ）からなり、高ドープレーザ結晶３０ｂは、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（Ｎｄ濃度３ａｔ．％、厚み０．２５ｍｍ）からなる。低ドープレーザ結晶３０ａは、高ドープレーザ結晶３０ｂに対し、励起光の吸収率が低く、吸収係数は約１／６である。低ドープレーザ結晶３０ａと高ドープレーザ結晶３０ｂとは、光学接合により一体化されている。一体化されたレーザ結晶３０ｃは、０．５ｍｍの一つのレーザ結晶として扱うことができる。低ドープレーザ結晶３０ａの励起ＬＤ１側の端面３１ａには、励起光（波長８０８ｎｍ）のＡＲコートと、固体レーザ光（波長１０６４ｎｍ）のＨＲコートとが形成されており、高ドープレーザ結晶３０ｂの波長変換素子９１側の端面３１ｂには、固体レーザ光のＡＲコートが形成されている。

固体レーザの共振器は、低ドープレーザ結晶３０ａの端面３１ａと、波長変換素子９１のレーザ出射側の端面９１ｂとを反射面として構成され、縦マルチモードで発振をしている。レーザ結晶３０ｃと波長変換素子９１との間に、レンズ８１が配置される。レンズ８１は、固体レーザ光のビーム径をレーザ結晶３０ｃよりも波長変換素子９１内で小さくなるようにビーム整形し、共振が行われる。波長変換素子９１は、共振する縦マルチモードの固体レーザ光の波長変換を行い、第２高調波及び和周波を発生する。

レンズ８１は、メニスカスレンズであり、その凸面８１ａがレーザ結晶３０ｃ側に、凹面８１ｂが波長変換素子９１側になるように配置される。レンズ８１は、固体レーザ光のＡＲコートと、波長変換光（５３２ｎｍ）のＨＲコートとを有している。

図２０は、図１９に示すレンズ８１の配置状態を説明するための拡大図である。図２０に示すように、レンズ８１は、固体レーザ光ＩＲの光軸Ｏ２、Ｏ３に対し、傾斜した配置となっている。レンズ８１の傾斜角度θ３は、固体レーザ光ＩＲの拡がり角θ４よりも大きくなるように設定されている。固体レーザ光ＩＲの光軸Ｏ２、Ｏ３は、レンズ８１によりシフトするが、レーザ結晶３０ｃ内の光軸Ｏ２と波長変換素子９１内の光軸Ｏ３とは、平行となっている。

再び、図１９を参照して、波長変換素子９１は、周期的な分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）のマイクロチップ（厚み０．３ｍｍ）からなる。波長変換素子９１は、励起ＬＤ側の端面９１ａに固体レーザ光と波長変換光とのＡＲコートを有し、もう一方の端面９１ｂに固体レーザ光のＨＲコートと、波長変換光のＡＲコートとを有する。波長変換素子９１は、平行平板形状となっており、レーザ結晶３０ｃと平行に配置されている。

波長変換素子９１を図右方向に通過する固体レーザ光を波長変換した波長変換光Ｓ１は、端面９１ｂから共振器外部に出力される。波長変換素子９１を図左方向に通過する固体レーザ光を波長変換した波長変換光Ｓ２は、レンズ８１の面８１ｂに反射された後、波長変換素子９１を通過して、共振器外部に出力される。メニスカスレンズの凹面８１ｂが波長変換素子９１側にあるため、波長変換光Ｓ２は、拡がり角が小さくなって、共振器外部に出力される。このとき、レンズ８１は、固体レーザ光の拡がり角より大きな角度で傾斜しているため、面８１ｂで反射された波長変換光Ｓ２は、固体レーザ光と分離し、波長変換光Ｓ２が波長変換素子９１に再入射した際に、固体レーザ光と重ならないようにしている。

レンズ８１の凸面８１ａ側から光を入射した時の主点ＬＣとレーザ結晶３０ｃとの距離Ｌ１は、レーザ結晶３０ａの厚み（空気長換算）を含めて７ｍｍである。レンズ８１の主点ＬＣと波長変換素子９１との距離Ｌ２は、波長変換素子９１の厚み（空気長換算）を含めて４．２ｍｍである。レンズ８１の焦点距離ｆは、４ｍｍである。

本実施の形態では、固体レーザ光のビーム径は、レーザ結晶３０ｃで約１４０μｍ、波長変換素子９１で約４０μｍとなっており、波長変換素子９１内のビーム径は、レーザ結晶３０ｃ内のビーム径に対して１／３以下に小さくなっている。また、共振器長も約１１ｍｍと非常にコンパクトな共振器の構成となっている。また、本実施の形態の距離Ｌ１、距離Ｌ２及び焦点距離ｆは、上記した（式１）〜（式４）を満たす範囲にある。波長変換素子９１の厚みが０．３ｍｍと非常に薄いが、上記の構成により、波長変換素子９１内でのビーム径を小さくすることができるので、変換効率を高め、温度制御が不要な広い温度許容幅と高波長変換効率とを両立させている。

本実施の形態は、共振器内のレンズ８１がメニスカスレンズからなり、波長変換素子９１側の面８１ｂが凹面である好ましい形態である。本実施の形態では、共振器内のレンズ８１が波長変換光Ｓ２の反射機能を有するが、面８１ｂを凹面とすることにより、反射する波長変換光Ｓ２の拡がり角を小さくし、面８１ｂで反射された波長変換光Ｓ２のビーム径を小さく保つことができる。

波長変換レーザ１１３から出力される波長変換光は、波長変換素子９１から直接出射される波長変換光Ｓ１と、レンズ８１により反射された後に出射される波長変換光Ｓ２との２つの波長変換光からなる。これらの波長変換光Ｓ１、Ｓ２のビームウェスト位置が波長変換素子９１の端面９１ｂとなるため、レンズ８１で反射された波長変換光Ｓ２の方が、共振器外部では相対的に波長変換光Ｓ１よりもビーム径が大きくなる。

本実施の形態では、レンズ８１で反射される波長変換光Ｓ２のビーム径をメニスカスレンズの凹面を用いて小さくすることにより、２つの波長変換光Ｓ１、Ｓ２の共振器外部でのビーム径を揃えることができる。波長変換光Ｓ１、Ｓ２のビーム径を近い大きさとすることにより、波長変換レーザ１１３から出射した波長変換光の取り扱いを容易にすることができる。

また、本実施の形態は、レーザ結晶３０ｃが励起光吸収率の異なる２つ以上の結晶（例えば、低ドープレーザ結晶３０ａ及び高ドープレーザ結晶３０ｂ）からなり、励起ＬＤ側から、吸収率の低い結晶から高い結晶の順に、レーザ結晶が直列的に並んでいる好ましい形態である。固体レーザでは、レーザ結晶の励起光の吸収部の発熱により熱レンズや熱歪が生じ、高出力時に出力の不安定性や出力の飽和が生じる。また、マイクロチップ固体レーザは、励起光の吸収部が非常に狭い体積に集中するという傾向がある。

本実施の形態では、レーザ結晶に励起光吸収率が異なる２つの結晶（低ドープレーザ結晶３０ａ及び高ドープレーザ結晶３０ｂ）を用い、励起光の吸収が小さな結晶から高い結晶の順に、励起ＬＤ側から直列的に並べることにより、励起光の吸収する範囲を固体レーザの光軸方向に広げている。励起光を吸収する範囲を固体レーザの光軸方向に広げることにより、熱レンズや熱歪が抑えられ、高出力の発振が可能となる。

また、本実施の形態では、レーザ結晶３０ｃ内の固体レーザ光のビーム径が大きく、且つ励起ＬＤ側から順に、レーザ結晶３０ｃ内の固体レーザ光のビーム径が大きくなっていく。固体レーザを高効率に発振させるためには、励起光と固体レーザ光を重ねる必要があるが、本実施の形態では、固体レーザ光のビーム径がレーザ結晶３０ｃ内で大きいため、励起光のビーム径も大きくすることができるので、吸収する範囲をビーム径方向で広げることもできる。また、励起光のビーム径を固体レーザ光のビーム径と同様に、励起ＬＤ側から大きくしていっても、高効率の発振が行える。

また、本実施の形態では、レーザ結晶３０ｃ内の吸収する範囲を固体レーザの光軸方向に広げるために、励起光の吸収率の高いレーザ結晶である高ドープレーザ結晶３０ｂを励起ＬＤ１から見て遠い側の位置に配置する。このとき、励起ＬＤ１から遠くなるほど、励起光のビーム径を大きくすることにより、励起光の吸収率が高い高ドープレーザ結晶３０ｂにおいて光軸方向と直交する方向に励起光の吸収する範囲を広げても、発熱を低減することができる。また、波長変換素子９１内で固体レーザ光のビーム径を小さくすることにより、高効率に波長変換を行い、波長変換光を共振器外へ出射することにより、レーザ結晶に熱が蓄積するのを防いでいる。

（実施の形態１４）
図２１は、本発明の実施の形態１４における波長変換レーザ１１４の概略構成図である。なお、図２１において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

図２１において、波長変換レーザ１１４の固体レーザの共振器は、レーザ結晶３０の励起ＬＤ１側の端面３１ａと、波長変換素子９２のレーザ出射側の端面９２ｂとを反射面として構成され、縦マルチモードで発振している。レーザ結晶３０と波長変換素子９２との間に、レンズ８２を有する。レンズ８２は、固体レーザ光のビーム径をレーザ結晶３０内よりも波長変換素子９２内で小さくなるようにビーム整形し、共振が行われる。波長変換素子９２内でビーム径が小さいため、波長変換素子９２は、共振する縦マルチモードの固体レーザ光の波長変換を高効率に行い、第２高調波及び和周波を発生する。

レンズ８２は、両凸レンズであり、固体レーザ光のＡＲコートと、波長変換光のＨＲコートとを有する。波長変換素子９２は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＴａＯ_３（ＰＰＬＴ）のマイクロチップ（厚み１．０ｍｍ）からなる。波長変換素子９２は、励起ＬＤ１側に固体レーザ光と波長変換光とのＡＲコートを有し、もう一方の面に固体レーザ光のＨＲコートと、波長変換光のＡＲコートとを有する。

波長変換素子９２を図右方向に通過する固体レーザ光を波長変換した波長変換光Ｓ１は、波長変換素子９２の端面９２ｂから共振器外部に出力される。波長変換素子９２を図左方向に通過する固体レーザ光を波長変換した波長変換光Ｓ２は、レンズ８２に反射された後、共振器外部に出力される。このとき、レンズ８２の凸面形状により、波長変換光Ｓ２の拡がり角が大きくなり、波長変換素子９２に再入射した後、共振器外部に出力される。また、レンズ８２で反射された波長変換光Ｓ２は、波長変換素子９２内で大きく拡がっているため、波長変換素子９２内で固体レーザ光と重なるが、重なる部分の波長変換光Ｓ２の光量が少ないため、出力を不安定とするモード競合ノイズはほとんど生じない。

レーザ結晶３０側から光を入射した時のレンズ８２の主点ＬＣとレーザ結晶３０との距離Ｌ１は、レーザ結晶３０の厚み（空気長換算）を含めて５ｍｍである。レンズ８２の主点ＬＣと波長変換素子９２との距離Ｌ２は、波長変換素子９２の厚み（空気長換算）を含めて２．２ｍｍである。レンズ８２の焦点距離ｆは、２ｍｍである。

上記の構成により、本実施の形態では、レーザ結晶３０内での固体レーザ光のビーム径は約１００μｍ、波長変換素子９２内でのビーム径は約３０μｍとなっており、波長変換素子９２内のビーム径が、レーザ結晶３０内のビーム径に対し１／３以下に小さくなっている。また、共振器長も約７ｍｍと非常にコンパクトな共振器の構成となっている。さらに、本実施の形態の距離Ｌ１、距離Ｌ２及び焦点距離ｆは、上記した（式１）〜（式４）を満たす範囲にある。この結果、波長変換レーザ１１４は、コンパクトで変換効率が高く、温度制御が不要で、安定した出力を得られるマルチモード波長変換レーザとなる。

（実施の形態１５）
図２２は、本発明の実施の形態１５における波長変換レーザ１１５の概略構成を示す側面図であり、図２３は、図２２に示す波長変換レーザ１１５の概略構成を示す上面図である。なお、図２２及び図２３において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

励起ＬＤ１４は、８０８ｎｍ帯の波長を出射するワイドストライプの半導体レーザである。励起ＬＤ１４を出射した励起光は、レーザ結晶３４に直接入射する。

レーザ結晶３４は、Ｎｄ１％：Ｇｄ_０．６Ｙ_０．４ＶＯ_４からなり、その外形は３×３×２ｍｍであり、共振器方向に２ｍｍの厚みを有する。レーザ結晶３４は、ＧｄＶＯ_４とＹＶＯ_４との混晶材料である。ＧｄＶＯ_４とＹＶＯ_４との混晶とすることにより、発振ゲインのスペクトル幅及び吸収帯域の広帯域化を行っている。レーザ結晶３４は、励起ＬＤ１４側の端面３４ａに１０６４ｎｍ帯のＨＲコートと８０８ｎｍ帯のＡＲコートとを有し、波長変換素子９３側の端面３４ｂに１０６４ｎｍ帯のＡＲコートを有する。添加イオン元素をＮｄとすることにより、高効率のレーザ発振と、レーザ結晶のマイクロチップ化とが可能となる。

波長変換素子９３は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）のマイクロチップ（厚み０．５ｍｍ）からなる。波長変換素子９３は、励起ＬＤ１４側の端面９３ａに固体レーザ光及び波長変換光のＡＲコートを有し、もう一方の端面９３ｂに固体レーザ光のＨＲコートと波長変換光のＡＲコートとを有する。端面９３ｂは、共振器ミラーとなるとともに、波長変換光の出力面となっている。波長変換素子９３は、平行平板形状となっており、レーザ結晶３４と平行に配置されている。

図２３に示すように、シリンドリカルレンズ８３は、水平方向（図２３の紙面方向）に曲率を有する平凸のシリンドリカルレンズであり、凸面８３ａがレーザ結晶３４側に位置する。シリンドリカルレンズ８３は、１０６４ｎｍ帯のＡＲコートと５３２ｎｍ帯のＨＲコートとを有する。

レーザ結晶３４は、１０６３．２〜１０６４．４ｎｍの帯域に亘る縦マルチモードの発振を行っている。レーザ結晶３４は、上記のような混晶材料を用いることにより、ＹＶＯ_４のみやＧｄＶＯ_４のみの単結晶材料を用いるのに比べ、発振帯域が拡がっている。レーザ結晶３４の端面３４ａと、波長変換素子９３の端面９３ｂとにより共振器が構成され、シリンドリカルレンズ８３のレンズパワーにより、水平方向のビーム径が小さい縦長のビームが共振している。また、共振器の垂直方向については、熱レンズにより共振を保っている。

図２２及び図２３に示すように、励起ＬＤ１４からの出力は、厚み方向の拡がり角が幅方向に対して著しく大きく、レーザ結晶３４内では、縦長のビームとなる。波長変換レーザ１１５では、シリンドリカルレンズ８３を用いて、固体レーザ光を縦長の楕円ビームとすることにより、励起光と固体レーザ光との結合効率を高め、高効率のレーザ発振を可能としている。シリンドリカルレンズ８３により、固体レーザ光の水平方向のビーム径は、波長変換素子９３内で細く、レーザ結晶３４内で太い構成となっている。レーザ結晶３４内の水平方向のビーム径が太いため、ワイドストライプの励起ＬＤ１４を用いても、励起光と固体レーザ光との高い結合効率を得ることができる。

また、図２３に示すように、シリンドリカルレンズ８３は、固体レーザ光の光軸に対し水平方向に傾いており、反射する波長変換光Ｓ２は、水平方向にずれて出射される。このとき、水平方向は、シリンドリカルレンズ８３の曲率がある軸方向である。

波長変換素子９３は、非常に薄いマイクロチップ波長変換素子を用いることにより、波長変換できる波長帯域を拡げている。波長変換レーザ１１５では、ＧｄＶＯ_４とＹＶＯ_４との混晶材料を用いることにより、発振帯域を拡げているが、１０６４ｎｍ帯の発振帯域すべてにおいて、マイクロチップ波長変換素子により第２高調波及び和周波の発生ができる。このため、波長変換レーザ１１５では、広い波長帯域を有する波長変換光を出力することができる。また、シリンドリカルレンズ８３によって波長変換素子９３内のビーム径を細くすることにより、固体レーザ光の単位面積あたりの強度を高め、高効率の波長変換が実現されている。

波長変換レーザ１１５は、レーザ結晶３４がＮｄ添加Ｇｄ_ＸＹ_１−ＸＹＶＯ_４結晶（但し、０＜Ｘ＜１）結晶からなり、共振器内で縦マルチモード発振を行い、波長変換素子９３が縦マルチモード発振の第２高調波及び和周波を発生する波長変換を行う好ましい形態である。このように、レーザ結晶３４にＧｄＶＯ_４とＮｄＶＯ_４との混晶ホスト材料を用いることにより、拡がったスペクトル分布をもつ縦マルチモード発振を得ることができる。

そして、この固体レーザ光の第２高調波及び和周波を発生させることにより、スペクトル分布が拡がった波長変換光を出力することができる。スペクトル分布を拡げることにより、出力される波長変換光のコヒーレンシーが低下し、干渉ノイズが低減する。特に、画像表示装置においては、干渉ノイズであるスペックルノイズが、波長変換光を用いた時の大きな課題であるが、波長変換レーザ１１５は、このスペックルノイズを低減させることができる。また、波長変換レーザ１１５は、第２高調波及び和周波を同時に発生させることにより、波長変換効率を高め、レーザとしての電気−光変換効率を高めている。

また、波長変換レーザ１１５は、シリンドリカルレンズ８３を用い、シリンドリカルレンズ８３で反射される波長変換光Ｓ２は、シリンドリカルレンズ８３で反射せずに出力される波長変換光Ｓ１に対して、シリンドリカルレンズ８３の曲率がある軸方向に傾いて出射する、すなわち、シリンドリカルレンズ８３がレンズパワーを有する水平面内において傾いて出射する好ましい形態である。

上記のように、シリンドリカルレンズ８３を用いることにより、楕円ビームの共振を行い、楕円ビーム出力となる励起ＬＤ１４の励起光に対して最適な結合状態を作成する。この結果、波長変換レーザ１１５では、励起ＬＤ１４とレーザ結晶３４との間の集光光学系を排除した場合でも、励起光と固体レーザ光との高い結合効率を得ることができる。

また、波長変換レーザ１１５では、シリンドリカルレンズ８３により波長変換光Ｓ２を波長変換光Ｓ１に対して、レンズ曲率がある方向にずらしているので、図２４に示すように、波長変換光Ｓ１と波長変換光Ｓ２の２つのビームからなる出力光は、縦長のビームが横に２つに並ぶ形状となる。本実施の形態では、上記の２つのビームが出力されるが、楕円ビームの短軸方向にビームを並べることにより、２つのビーム間の距離を短くすることができる。ビーム間距離を短くすることにより、２つのビームを同じ光学系で扱いやすくなり、出力するビームの光学系の小型化が可能となる。

また、本実施の形態は、シリンドリカルレンズ８３を用いることにより、励起ＬＤとの結合と、出力ビームの外部との結合とを同時に制御することができる。また、垂直方向の偏芯がないシリンドリカルレンズ８３を用いることにより、調整軸を減らし、図２２及び図２３に示すように、レーザ結晶３４、シリンドリカルレンズ８３、及び波長変換素子９３を同一のベースＢＡに並べて配置することができ、波長変換レーザ１１５をコンパクトな形態とすることができる。

（実施の形態１６）
図２５は、本発明の実施の形態１６における波長変換レーザ１１６の概略構成図である。なお、図２５において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

図２５に示す波長変換レーザ１１６は、９ｍｍφのパッケージに入るコンパクトな波長変換レーザである。波長変換レーザ１１６の各レーザ部品は、９φＣＡＮパッケージ２０１内に収納され、封止窓２０２は、外部からの埃の進入を防止するとともに、赤外光のカットフィルターとして機能する。

励起ＬＤ１５は、８８０ｎｍの波長を出射する内部波長ロック型ワイドストライプ半導体レーザである。励起ＬＤ１５を出射した励起光は、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ２４により、低ドープレーザ結晶３０ａと高ドープレーザ結晶３０ｂとからなるレーザ結晶３０ｃに集光される。レーザ結晶３０ａとレーザ結晶３０ｂとは、励起光を吸収し、レーザ発振を行う。

レーザ結晶３０ｂと波長変換素子９４との間に、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ８４が挿入されている。ＧＲＩＮレンズ２４、８４は、直方体の形状であり、内部の屈折率分布によりレンズ効果をもたらす。屈折率分布は、ガラスのイオン交換法により作製されている。波長変換レーザ１１６では、レーザ結晶３０ａ、レーザ結晶３０ｂ、ＧＲＩＮレンズ８４、及び波長変換素子９４が貼り合わされ、一体化されている。また、集光光学系であるＧＲＩＮレンズ２４も、レーザ結晶３０ａと貼り合わされ、一体化されている。一体化した直方体状のこれらの光学部材は、ヒートシンクも兼ねるベース２０３に固定されている。

ＧＲＩＮレンズ２４は、励起ＬＤ側に励起光のＡＲコートを有し、ＧＲＩＮレンズ２４とレーザ結晶３０ａとの界面には、固体レーザ光のＨＲコートと、励起光のＡＲコートとが形成されている。レーザ結晶３０ａとレーザ結晶３０ｂとは、直接接合されている。ＧＲＩＮレンズ８４とレーザ結晶３０ｂとの間には、固体レーザ光のＡＲコートが形成されている。また、ＧＲＩＮレンズ８４と波長変換素子９４との間には、固体レーザ光のＡＲコートと、波長変換光のＨＲコートとが形成されている。この波長変換光のＨＲコートにより、波長変換光は、ＧＲＩＮレンズ８４で反射される。波長変換素子９４の出力面は、固体レーザ光のＨＲコートと、波長変換光のＡＲコートとを有し、波長変換光を出力する。

レーザ結晶３０ａの励起ＬＤ側の界面と、波長変換素子９４の出力面とが、共振器となり、固体レーザ光（波長１０６４ｎｍ）が、縦マルチモードで発振している。固体レーザ光は、ＧＲＩＮレンズ８４により、波長変換素子９４に集光される。波長変換素子９４でのビーム径が小さくなることにより、波長変換素子９４では、光強度が高く、高効率の波長変換ができる。また、ＧＲＩＮレンズ８４により、レーザ結晶３０ｃ内の共振ビーム径が、波長変換素子９４内よりも太くなるので、励起光と固体レーザ光とが効率よく結合する。

波長変換レーザ１１６は、レンズが屈折率分布型レンズ８４からなり、屈折率分布型レンズ８４がレーザ結晶３０ｃ及び波長変換素子９４の少なくとも一方に接合されている好ましい形態である。屈折率分布型レンズ８４をレーザ結晶３０ｃ又は波長変換素子９４と接合して一体化することにより、波長変換レーザ１１６の作製時の光学的調整が不要となり、小型化及び低コスト化が可能となる。特に、レーザ結晶３０ｃ、ＧＲＩＮレンズ８４、及び波長変換素子９４を一体化することにより、共振器の信頼性も向上する。また、集光光学系となるＧＲＩＮレンズ２４をも、レーザ結晶３０ｃなどと貼り付ける構成は、波長変換レーザ１１６全体での、調整コストの削減と信頼性の向上とを可能とする。本実施の形態は、特に、マイクロチップ結晶を用いるため、生産時の取扱いが問題となるが、ＧＲＩＮレンズを用い、光学部材を一体化することにより、生産時のハンドリングや調整などの課題を解決することができる。

ここで、上記の各実施の形態の波長変換レーザの好ましい出力方法について説明する。波長変換レーザの共振器内の固体レーザ光の縦マルチモードは、励起ＬＤの駆動電流を変調することで時間的に変化する。ミリ秒〜マイクロ秒オーダの周期で励起ＬＤの変調を行うことにより、レーザ結晶の温度は、励起ＬＤの励起光の出射時の上昇と、励起ＬＤの停止時の下降を繰り返し、すなわち時間的に温度が変化することとなる。

発振される固体レーザ光の縦モードは、温度状態により変化し、複数のモードとなる。こうして、固体レーザ光を時間積算すると、固体レーザ光のスペクトル幅が拡がることとなる。上記の各実施の形態の波長変換レーザでは、広い帯域での第２高調波と和周波の発生が可能であるため、レーザ結晶から発振される固体レーザ光のスペクトル幅を拡げた場合でも、広いスペクトル幅全体の変換を行い、変換された第２高調波及び和周波からなる波長変換光のスペクトル幅は拡がることとなる。特に、第２高調波及び和周波が同時に発生するため、これらの波長変換光を時間積算したとき、波長変換光のスペクトルの重なりを生じ、スペクトル分布の平坦化を実現することができる。こうして、スペクトル分布を拡げて、平坦化することにより、出力される波長変換光のコヒーレンシーを低減し、スペックルノイズなどの干渉性ノイズの低減が可能となる。

（実施の形態１７）
図２６は、実施の形態１５の波長変換レーザ１１５を緑色波長変換レーザ１１７として用いた本発明の実施の形態１７における画像表示装置１００１の概略図である。なお、図２６において、上記実施の形態と同様のものについては、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。

画像表示装置１００１は、緑色のレーザ光を出射する緑色波長変換レーザ１１７、赤色のレーザ光を出射する赤ＬＤ１０１１、青色のレーザ光を出射する青ＬＤ１０２１を有するレーザプロジェクタである。赤ＬＤ１０１１及び青ＬＤ１０２１には、ワイドストライプのマルチモードＬＤを用い、緑色波長変換レーザ１１７には、実施の形態１５の波長変換レーザ１１５を用いている。なお、緑色波長変換レーザ１１７に、他の実施の形態の波長変換レーザを用いてもよい。

赤ＬＤ１０１１及び青ＬＤ１０２１を出射した光は、コリメータ１０２５でコリメートされ、緑色波長変換レーザ１１７から出射する２つのビームと、合波プリズム１０３０で合波される。合波された光は、照明光学系１０４０により、矩形で均一な強度をもつ光に整形される。

照明光学系１０４０は、クロスレンチキュラーレンズ及び拡がり角補償レンズからなる。整形されたビームは、偏光ビームスプリッタであるＰＢＳ１０６０を経て、空間光変調素子１０５０を照明する。空間光変調素子１０５０は、反射型ＬＣＯＳからなり、偏光の回転により階調を表す。空間光変調素子１０５０を反射してＰＢＳ１０６０を通過した変調された光は、投射レンズ１０７０により表示面１０８０に拡大投射される。

画像表示装置１００１は、上記の実施の形態１５の波長変換レーザと、出力した波長変換光の変調を行う素子を有する好ましい形態である。上記の実施の形態１５のコンパクトで高効率の波長変換レーザを用いることにより、画像表示装置１００１の小型化と省電力化とを実現することができる。波長変換レーザを画像表示装置に用いるには、特にサイズと効率とが課題となっていたが、画像表示装置１００１では、これらを解決することができる。

空間光変調素子１０５０は、赤、緑、青のレーザ光を時分割で変調を行う。各色のレーザ光源１０１１、１０２１、１１７からは、赤、青、緑のレーザ光が順次出射され、緑色波長変換レーザ１１７も、波長変換光の出射と停止とを繰り返すこととなる。このとき、励起ＬＤ１４が励起光の出射と停止とを繰り返すことにより、レーザ結晶３４では、出力時に温度シフトが生じる。この温度シフトにより、緑色波長変換レーザ１１７では、固体レーザの発振波長が出力時に変化する。固体レーザの発振波長が変化することにより、出力される第２高調波及び和周波を時間積分したときのスペクトル幅が拡がる。これにより、波長変換光を時間積分したときのコヒーレンシーは低下し、画像表示装置１００１のスペックルノイズが除去される。

上記のように、画像表示装置１００１は、赤、青、緑の波長を発振するレーザ光源を有し、少なくとも緑のレーザ光源に緑色波長変換レーザ１１７を用い、レーザ光源は色毎にレーザ光を順次出射し、緑色波長変換レーザ１１７は、ビームの出射と停止とを繰り返し、ビームの出射時に励起光により過熱され、停止時に冷却されることにより、緑色波長変換レーザ１１７のスペクトル幅を拡げる好ましい形態である。

このように、レーザ光源からのレーザ光の順次出射を用いることにより、認識し易い緑色のスペックルノイズの除去を行うことができる。このとき、赤及び青に半導体レーザ光源を用いることが好ましい。赤及び青のレーザ光源においても、出射時にレーザチップの温度シフトが生じて発振波長が変化し、時間積分した時のスペクトル幅を拡げることが可能となる。こうして、カラー画像を表示する赤、緑、青の全てのレーザ光において、スペックルノイズを除去することができる。また、光源全てにレーザ光源を用いることにより、画像表示装置１００１の小型化や薄型化、省電力化が可能となる。

なお、画像表示装置１００１の波長変換光の空間光変調素子には、透過型液晶やＤＭＤなどの空間変調素子を用いることもできる。また、透過型液晶においては、投射レンズを用いず、液晶面を表示面とする形態としてもよい。また、変調素子は、空間光変調素子だけでなく、波長変換光の強度変調と走査光学系を組み合わせる形態としてもよい。また、本実施の形態では、照明光学系１０４０にレンチキュラーレンズを用いたが、この例に特に限定されず、ロッドインテグレータやフライアイレンズを用いることができる。

なお、本発明に適用可能なレーザ結晶の数は、上記の各例に限定されず、１つのレーザ結晶、３種以上のレーザ結晶を用いてもよい。また、２種類のレーザ結晶を複数個ずつ共振器内に配置する構成としてもよい。また、固体レーザの構成は、２種類以上のレーザ結晶と波長変換素子とのみとしてもよいし、その他の光学部品を必要に応じて付加する構成としてもよい。

また、レーザ結晶は、必ずしも単結晶である必要はなく、セラミックや混晶を用いてもよい。なお、上記の実施の形態では、レーザ結晶のドープイオンにＮｄを用いているが、Ｎｄ以外の活性元素をドープしてもよい。また、複数のイオンの複合ドープとしてもよい。例えば、ＮｄとＣｒとを複合ドープすることにより、Ｃｒが吸収した光が、量子遷移によってＮｄに移り、Ｃｒの吸収波長帯域の励起ができる。このように、Ｎｄドープのレーザ結晶にＣｒなどを追加してドープし、吸収波長帯域を拡げることにより、波長ロックなどがない半導体レーザを用いることができ、波長変換レーザを安価に作製することができる。

また、上記の実施の形態では、波長変換素子に分極反転周期構造を有するＬＮ又はＬＴを用いたが、その他の非線形光学結晶を用いることもできる。また、分極反転周期構造は、設計により周期に変化を加えるような構成としてもよい。また、上記の実施の形態では、緑色の波長変換光を出力する構成を示したが、出力する波長は限定されず、青、黄、赤などの各色のレーザを出力する構成としてもよい。また、レンズ形状は、球面や平面に限らず、非球面など本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更しても構わない。

上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明に係る波長変換レーザは、共振器を有する固体レーザと、前記共振器内に配置される波長変換素子とを備え、前記固体レーザは、少なくとも２種類以上のレーザ結晶を含み、複数の波長の固体レーザ光を発振し、前記波長変換素子は、前記複数の波長の固体レーザ光を複数の波長の第２高調波及び和周波に変換し、前記複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に発生させる。

この波長変換レーザにおいては、固体レーザが少なくとも２種類以上のレーザ結晶を含み、複数の波長の固体レーザ光を発振し、波長変換素子が複数の波長の固体レーザ光を複数の波長の第２高調波及び和周波に変換し、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に発生させるので、固体レーザの共振器で発振する異なる波長の固体レーザ光から第２高調波及び和周波を発生させ、複数の波長からなる低コヒーレントの波長変換レーザ光を安定して出力することができる。この結果、波長変換効率が高く且つスペクトル幅の広い低コヒーレントな小型の波長変換レーザを実現することができる。また、安定した高出力の発振と高い効率との小型光源を得ることができるので、スペクトル幅が広く高効率で高出力の小型波長変換レーザを得ることができる。さらに、映像分野や照明分野で問題とする干渉ノイズを低減したレーザ光を用いることができるので、映像分野及び照明分野などに応用できるＷクラスの低コヒーレントの波長変換レーザ光を高効率に安定して出力することができ、装置の小型化も可能となる。

前記第２高調波及び和周波からなる波長変換光は、前記波長変換素子内に固体レーザ光と一致して再入射することなく、前記共振器の外部に出力されることが好ましい。

この場合、第２高調波及び和周波からなる波長変換光を、波長変換素子内に固体レーザ光と一致して再入射させることなく、共振器外部に出力することができるので、波長変換光が逆変換されて固体レーザの発振ノイズとなる現象を防ぎ、安定した高出力発振特性を得ることができる。

前記２種類以上のレーザ結晶は、同じ励起光源によって励起されることが好ましい。

この場合、励起光源の個数を少なくし、装置のコストの低減及びサイズの低減を行うことができる。

前記２種類以上のレーザ結晶内の前記励起光源の励起光のスポット径は、発振波長の長いレーザ結晶ほど小さいことが好ましい。

この場合、発振波長の長いレーザ結晶ほど励起光のスポット径を小さくすることにより、発振波長の長いレーザ結晶の光吸収密度を高め、レーザ結晶の発振を行う部位の温度を高くし、発振波長の長いレーザ結晶の発振波長を優先的に長くすることができるので、発振波長の短いレーザ結晶に対し、発振波長の長いレーザ結晶の波長を長い方向にシフトさせることができ、波長変換レーザのスペクトル幅をさらに広くすることができる。

前記固体レーザの複数の発振波長のうち、最短発振波長の中心波長をλｓ、最長発振波長の中心波長λｌ、λｓ及びλｌの和周波の波長をλｓｆｇ、λｓ及びλｌの平均波長をλａｖｅ、前記波長変換素子の厚みをｔ、前記波長変換素子のλｓｆｇにおける屈折率をｎｓｆｇ、前記波長変換素子のλａｖｅにおける屈折率ｎａｖｅとするとき、前記波長変換素子は、分極反転周期構造を有し、前記波長変換素子の厚みtは、０＜ｔ＜λａｖｅ^２／（８×（λｌ−λｓ）×（ｎｓｆｇ−ｎａｖｅ））の関係を満たすことが好ましい。

この場合、第２高調波及び和周波の変換時に十分な波長変換効率を得ることができるので、固体レーザの発振波長幅に対応するスペクトル幅の広い波長変換光を得ることができる。

前記固体レーザの複数の発振波長のうち、最短発振波長の中心波長λｓ及び最長発振波長の中心波長λｌは、０．５ｎｍ＜λｌ−λｓ＜５ｎｍの関係を満たすことが好ましい。

この場合、低コヒーレントの波長変換光を高効率に得ることができる。

前記２種類以上のレーザ結晶のうち発振波長が最も短いレーザ結晶は、前記レーザ結晶の数をＮとするとき、前記共振器内に入射する励起光のうち１／２Ｎ以上且つ１／Ｎ以下の励起光を吸収し、前記２種類以上のレーザ結晶は、全体として前記共振器内に入射する励起光の９５％以上を吸収することが好ましい。

この場合、発振波長の短いレーザ結晶の発熱を抑え、発振波長の長波長方向へのシフトを防いでいるので、固体レーザの発振波長幅が縮まることを防ぎ、波長変換光のスペクトル幅が縮まることを防ぐことができるとともに、固体レーザの発振波長が近づくことによるモード競合の回避を行うことができる。また、固体レーザの最も短い発振波長の強度を保ち、波長変換光のスペクトルの偏りが生じることを防ぐことができる。さらに、固体レーザの励起効率を高め、波長変換光の発生の高効率化を行うことができる。

前記２種類以上のレーザ結晶は、異なるホスト材料に、同じ活性イオン材料を添加した結晶であり、前記２種類以上のレーザ結晶のうち発振波長の長いレーザ結晶の活性イオン添加量は、発振波長の短いレーザ結晶の添加量よりも多いことが好ましい。

この場合、発振波長が近づきすぎることを防止することができるので、固体レーザのモード競合を防止することができるとともに、波長変換光のスペクトル幅を拡げることができる。

前記２種類以上のレーザ結晶は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４とＮｄ：ＹＶＯ_４との２種類からなることが好ましい。

この場合、一つの励起光源による励起が可能であり、また、ヴァナデート系の結晶は、誘導放出断面積が大きく、マイクロチップ化ができるため、集光光学系及び共振器を小型化して波長変換レーザを小型化することができる。

前記２種類以上のレーザ結晶及び波長変換素子は、マイクロチップ結晶からなり、結晶間を空間的に光路上で分離して配置されることが好ましい。

この場合、発熱体であるレーザ結晶の間を空間的に光路上で分離することにより、相互の熱干渉をなくし、冷却することができ、また、発熱部を複数個所に分けることができるため、熱的に優れ、高出力時に安定した発振を行うことができ、さらに、波長変換素子をレーザ結晶から固体レーザ光の光路上で分離することにより、波長変換素子に対するレーザ結晶からの熱干渉を防ぐことができる。

前記波長変換光の波長分布は、前記固体レーザの励起を行う励起光源の波長により制御されることが好ましい。

この場合、励起光源の波長を変化させることにより、波長変換光の波長分布を制御することができるので、波長変換レーザの応用用途を分析分野などに広げることができる。

前記２種類以上のレーザ結晶のうち、発振波長が長いレーザ結晶内の固体レーザ光が発振する領域の温度は、発振波長が短いレーザ結晶内の固体レーザ光が発振する領域の温度より高い温度に制御されることが好ましい。

この場合、発振波長の長いレーザ結晶の発振波長を優先的に長くすることができるので、発振波長の長いレーザ結晶の波長を長い方向にシフトさせることができ、波長変換レーザのスペクトル幅をさらに広くすることができるとともに、固体レーザの安定した発振を行うことができる。

前記共振器内に配置されるレンズをさらに備え、前記レンズは、前記波長変換素子内の固体レーザ光のビーム径を前記レーザ結晶内の固体レーザ光のビーム径よりも小さくし、前記レンズに前記波長変換光を反射するコーティングが形成されていることが好ましい。

この場合、波長変換素子内での固体レーザ光のビーム径を小さくすることにより、固体レーザ光の波長変換素子内での光強度を上げ、波長変換効率を高めることができるので、波長変換レーザの効率を高めることができる。また、レーザ結晶内での固体レーザ光のビーム径を大きくすることにより、レーザ結晶内での励起光の光強度を低減し、レーザ結晶の発熱を抑えることができるので、波長変換レーザの高出力特性を向上させることができる。さらに、波長変換光を反射するコーティングにより、波長変換光を反射することができるので、波長変換光が波長変換素子内で固体レーザ光と一致して再入射することを防ぎ、モード競合ノイズを除去することができる。

前記波長変換素子の端面は、前記共振器の出力ミラーとなり、前記レンズは、前記波長変換光を反射し、前記波長変換光は、前記波長変換素子内に前記固体レーザ光と一致して再入射することなく、前記共振器外部に出力されることが好ましい。

この場合、波長変換素子の端面を共振器ミラーとすることにより、固体レーザ光のビーム集光点を波長変換素子内に形成し、ビーム径を理想的に集光することができるとともに、コンパクトな構成を実現することができ、また、波長変換光を反射し、波長変換光が波長変換素子内で固体レーザ光と一致して再入射することを防ぐことができるので、モード競合ノイズを除去することができる。

前記共振器は、波長が異なり且つ偏光が直交する波長の共振を行い、前記波長変換素子は、前記波長の直交する偏光成分に対して傾いた光学軸を有し、波長と偏光とが異なる発振波長を第２高調波及び和周波へ位相整合し、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に出力することが好ましい。

この場合、偏光が直交する波長の共振を行うことにより、共振器内で発振している複数の波長間で生じるモード競合を回避して、複数の波長を安定して共振させることができ、また、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に出力しているので、波長変換されて出力される波長変換光が複数のスペクトルから構成され、スペクトル幅が広くなり、干渉性が低くなる。

なお、本発明に係る他の波長変換レーザとして、波長変換レーザは、共振器を有する固体レーザと、前記共振器内に配置される波長変換素子とを備え、前記共振器は、波長が異なり且つ偏光が直交する波長の共振を行い、前記波長変換素子は、前記波長の直交する偏光成分に対して傾いた光学軸を有し、波長と偏光とが異なる発振波長を第２高調波及び和周波へ位相整合し、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に出力するようにしてもよい。

前記２種類以上のレーザ結晶は、最も励起光の吸収係数が少ないレーザ結晶が励起光源側に位置するようにレーザ結晶同士を貼り合わされ、一つの励起光源により励起されることが好ましい。

この場合、レーザ結晶を貼り合せることにより、レーザ結晶間で必要となるコーティングが不要となり、共振器内の損失を減らすことができ、また、励起光源側のレーザ結晶の励起光の吸収係数を少なくすることにより、励起光源側のレーザ結晶の発熱を抑えながら、励起光源から遠くに位置するレーザ結晶に励起光を吸収させて発振させることができるので、複数の固体レーザ光からの異なる波長の発振を得ることができる。さらに、レーザ結晶を貼り合わせるとともに、一つの励起光源を用いているので、調整部品を減らすことができるとともに、コンパクトな構成とすることができる。

前記最も励起光の吸収係数が少ないレーザ結晶の励起光入射面のうち励起光が入射されない領域に配置される冷却部材をさらに備え、前記最も励起光の吸収係数が少ないレーザ結晶の温度は、前記冷却部材により、他のレーザ結晶の温度よりも低くなるように調整されることが好ましい。

この場合、固体レーザ光の光路上で最も温度差が生じる励起光入射面の温度差を低減し、熱による歪みを緩和することができるので、ハイパワーでの動作が可能となるとともに、温度シフトによりレーザ結晶の発振波長の隔たりを大きくし、出力する波長変換光のスペクトル幅を拡げることができる。

前記レーザ結晶を励起する励起光源をさらに備え、前記励起光源は、励起光を変調することにより、前記レーザ結晶の温度を時間的に変化させ、前記レーザ結晶から発振される波長のスペクトル幅を拡げ、前記第２高調波及び和周波のスペクトルの重なりを増加させることが好ましい。

この場合、スペクトル分布を平坦化することができるので、コヒーレンシーをさらに低減し、スペックルノイズなどの干渉性ノイズの更なる低減が可能となる。

前記波長変換素子は、複数の分極反転周期構造を有する多周期波長変換素子を含み、前記複数の分極反転周期構造の周期は、前記複数の波長の固体レーザ光の第２高調波の発生に対応する周期を少なくとも含み、前記多周期波長変換素子は、前記複数の波長の固体レーザ光の波長の第２高調波及び和周波を発生することが好ましい。

この場合、複数の第２高調波への波長変換効率を高くし、和周波への波長変換効率を低下させて相対的に和周波の強度を下げることができるので、波長変換光のスペクトル分布を平坦化することができ、コヒーレンシーの低減を進め、スペックルノイズなどの干渉ノイズの更なる低減が可能となる。

前記固体レーザは、縦マルチモード発振を行い、前記波長変換素子は、分極反転周期構造を有するマイクロチップからなり、前記縦マルチモード発振の第２高調波及び和調波を発生する波長変換を行い、上記波長変換レーザは、前記レーザ結晶と前記波長変換素子との間に配置され、固体レーザ光のビーム径を前記レーザ結晶よりも前記波長変換素子内で小さくし、且つ波長変換された光を反射するレンズをさらに備え、前記レーザ結晶及び前記波長変換素子の端面は、前記固体レーザの共振器の反射面となることが好ましい。

この場合、小型で変換効率が高いマルチモード波長変換レーザを得ることができるとともに、空冷機構のみで安定した高出力発振を行うことができ、冷却機構を含めた装置の小型化も可能とする。この結果、温度制御が不要でありながら、小型で変換効率が高く、安定した高出力発振が可能なマルチモード波長変換レーザを提供することができる。また、映像分野及び照明分野に応用可能な波長変換光を、安定して高効率に出力することができ、装置の小型化も可能とする。

なお、本発明に係る他の波長変換レーザとして、波長変換レーザは、半導体レーザ励起固体レーザの共振器内に波長変換素子を有する波長変換レーザであって、前記固体レーザは、縦マルチモード発振を行い、前記波長変換素子は、分極反転周期構造を有するマイクロチップからなり、前記縦マルチモード発振の第２高調波及び和調波を発生する波長変換を行い、前記固体レーザのレーザ結晶と前記波長変換素子との間に配置され、固体レーザ光のビーム径を前記レーザ結晶よりも前記波長変換素子内で小さくし、且つ波長変換された光を反射するレンズをさらに備え、前記レーザ結晶及び前記波長変換素子の端面は、前記固体レーザの共振器の反射面となるようにしてもよい。

前記レンズの少なくとも一方のレンズ面は、固体レーザ光の拡がり角より大きな角度で固体レーザ光に対して傾斜し、前記レンズ面で反射される波長変換光は、前記共振器内で固体レーザ光と分離して前記共振器外部に出力されることが好ましい。

この場合、波長変換光が共振器内で固体レーザ光と分離して共振器外部に出力されるので、モード競合を防止し、安定した高出力発振を行うことができる。

前記レンズは、平凸レンズからなり、前記平凸レンズの前記波長変換素子側の面は、平面であることが好ましい。

この場合、波長変換光を反射する面を平面とすることにより、反射する波長変換光の方向の調整を容易にすることができるとともに、固体レーザの共振器内の収差を小さくすることもできる。

前記レーザ結晶と前記レンズの主点との間の距離Ｌ１と、前記波長変換素子と前記レンズの主点との間の距離Ｌ２と、前記レンズの焦点距離ｆとは、下記の関係を満たすことが好ましい。

ｆ＜Ｌ２＜Ｌ１
Ｌ２＜２×ｆ
Ｌ１＋ｆ＞２×Ｌ２
Ｌ１−ｆ＜２０ｍｍ

この場合、固体レーザ光のビーム径を波長変換素子内で集光して波長変換効率を高め、レーザ結晶で熱レンズが生じた場合でも、共振を持続させることを可能とし、また、コンパクトな構成を実現することができる。

前記レンズは、メニスカスレンズからなり、前記メニスカスレンズの前記波長変換素子側の面は、凹面であることが好ましい。

この場合、メニスカスレンズの波長変換素子側の面を凹面とすることにより、反射する波長変換光の拡がり角を小さくし、反射された波長変換光のビーム径を小さく保つことができる。

前記レーザ結晶は、励起光吸収率の異なる２つ以上の結晶からなり、前記レーザ結晶を励起する励起光源側から吸収率が順に高くなるように、直列的に配置されることが好ましい。

この場合、励起光の吸収する範囲を固体レーザの光軸方向に広げることができるので、熱レンズや熱歪が抑えられ、高出力の発振が可能となる。

前記レンズの波長変換光の反射位置を光軸とする合成光学系をさらに備え、前記合成光学系は、前記レンズで反射される波長変換光と、前記レンズに入射しない波長変換光との２つの波長変換光を、一つのビームとして合成することが好ましい。

この場合、２つの波長変換光を一つのビームとして合成しているので、出力を１つのビームとして取り扱い、各用途に応じたビーム整形を行うことができる。

前記レーザ結晶は、Ｎｄ添加Ｇｄ_ＸＹ_１−ＸＹＶＯ_４結晶（但し、０＜Ｘ＜１）を含み、前記固体レーザは、共振器内で縦マルチモード発振を行い、前記波長変換素子は、縦マルチモード発振の第２高調波及び和周波を発生する波長変換を行うことが好ましい。

この場合、レーザ結晶にＧｄＶＯ_４とＮｄＶＯ_４との混晶ホスト材料を用いているので、拡がったスペクトル分布をもつ縦マルチモード発振を得ることができる。

前記レンズは、屈折率分布型レンズからなり、前記屈折率分布型レンズは、前記レーザ結晶及び前記波長変換素子の少なくとも一方に接合されていることが好ましい。

この場合、屈折率分布型レンズをレーザ結晶又は波長変換素子と接合して一体化することにより、波長変換レーザの作製時の光学的調整が不要となり、小型化及び低コスト化が可能となるとともに、共振器の信頼性も向上する。

前記レンズは、シリンドリカルレンズからなり、前記シリンドリカルレンズで反射される波長変換光は、前記シリンドリカルレンズで反射せずに出力される波長変換光に対して傾いて出射することが好ましい。

この場合、シリンドリカルレンズで反射される波長変換光と、シリンドリカルレンズで反射せずに出力される波長変換光の２つのビームからなる出力光が楕円ビームの短軸方向に並んで出力され、２つのビーム間の距離を短くすることができるので、２つのビームを同じ光学系で扱いやすくなり、出力光の光学系を小型化することができる。

本発明に係る画像表示装置は、上記のいずれかに記載の波長変換レーザと、前記波長変換光の変調を行う素子とを備える。

この画像表示装置においては、スペクトル分布が拡がった低コヒーレントな波長変換光を用いることができるので、画像ノイズとなるスペックルノイズを低減し、高品位の画像を表示することができる。

上記画像表示装置は、赤色の波長を発振する赤色レーザ光源と、緑色の波長を発振する緑色レーザ光源と、青色の波長を発振する青色レーザ光源とを備え、前記緑色レーザ光源は、上記のいずれかに記載の波長変換レーザを含み、前記赤色レーザ光源、前記緑色レーザ光源及び前記青色レーザ光源は、色毎にレーザ光を順次出射し、前記波長変換レーザは、前記励起光の出射と停止とを繰り返すことにより、前記波長変換光のスペクトル幅を拡げることが好ましい。

この場合、レーザ光源からのレーザ光を順次出射することにより、認識し易い緑色のスペックルノイズの除去を行うことができ、また、赤及び青のレーザ光源の出射時に温度変化が生じて発振波長が変化し、時間積分した時のスペクトル分布を拡げることが可能となるとともに、励起光源が励起光の出射と停止とを繰り返すことにより、レーザ結晶及び波長変換素子で温度変化が生じ、波長変換レーザの発振波長が変化するので、波長変換光を時間積分すると、波長変換レーザのスペクトル分布がさらに拡がり、コヒーレンシーがさらに低下する。

本発明の波長変換レーザは、低干渉性が求められる各波長変換レーザに利用することができるので、特に、映像分野や照明分野の低コヒーレント高効率小型レーザに適している。また、本発明の波長変換レーザは、小型化が必要なマルチモード波長変換レーザに利用することができるので、特に、映像分野や照明分野の小型レーザに適している。

Claims (31)

1. 共振器を有する固体レーザと、
   前記共振器内に配置される一つの波長変換素子とを備え、
   前記固体レーザは、少なくとも２種類以上のレーザ結晶を含み、複数の波長の固体レーザ光を発振し、
   前記一つの波長変換素子は、前記複数の波長の固体レーザ光を複数の波長の第２高調波及び和周波に変換し、前記複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に発生させることを特徴とする波長変換レーザ。
2. 前記第２高調波及び和周波からなる波長変換光は、前記波長変換素子内に固体レーザ光と一致して再入射することなく、前記共振器の外部に出力されることを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ。
3. 前記２種類以上のレーザ結晶は、同じ励起光源によって励起されることを特徴とする請求項１又は２記載の波長変換レーザ。
4. 前記２種類以上のレーザ結晶内の前記励起光源の励起光のスポット径を、発振波長の長いレーザ結晶ほど小さくすることにより、前記発振波長の長いレーザ結晶の温度を高め、前記発振波長の長いレーザ結晶の波長シフトを行うことを特徴とする請求項３記載の波長変換レーザ。
5. 前記固体レーザの複数の発振波長のうち、最短発振波長の中心波長をλｓ、最長発振波長の中心波長λｌ、λｓ及びλｌの和周波の波長をλｓｆｇ、λｓ及びλｌの平均波長をλａｖｅ、前記波長変換素子の厚みをｔ、前記波長変換素子のλｓｆｇにおける屈折率をｎｓｆｇ、前記波長変換素子のλａｖｅにおける屈折率ｎａｖｅとするとき、
   前記波長変換素子は、分極反転周期構造を有し、前記波長変換素子の厚みｔは、０＜ｔ＜λａｖｅ^２／（８×（λｌ−λｓ）×（ｎｓｆｇ−ｎａｖｅ））の関係を満たし、
   前記一つの波長変換素子は、前記複数の波長の固体レーザ光の第２高調波及び和周波を同時に発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
6. 前記固体レーザの複数の発振波長のうち、最短発振波長の中心波長λｓ及び最長発振波長の中心波長λｌは、０．５ｎｍ＜λｌ−λｓ＜５ｎｍの関係を満たし、
   前記一つの波長変換素子は、λｌとλｓとに対応する第２高調波を発生することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
7. 前記２種類以上のレーザ結晶のうち発振波長が最も短いレーザ結晶は、前記レーザ結晶の数をＮとするとき、前記共振器内に入射する励起光のうち１／２Ｎ以上且つ１／Ｎ以下の励起光を吸収し、
   前記２種類以上のレーザ結晶は、全体として前記共振器内に入射する励起光の９５％以上を吸収することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の波長変換レーザ。
8. 前記２種類以上のレーザ結晶は、異なるホスト材料に、同じ活性イオン材料を添加した結晶であり、
   前記２種類以上のレーザ結晶のうち発振波長の長いレーザ結晶の活性イオン添加量は、発振波長の短いレーザ結晶の添加量よりも多いことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の波長変換レーザ。
9. 前記２種類以上のレーザ結晶は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４とＮｄ：ＹＶＯ_４との２種類からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長変換レーザ。
10. 前記２種類以上のレーザ結晶及び波長変換素子は、マイクロチップ結晶からなり、結晶間を空間的に光路上で分離して配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の波長変換レーザ。
11. 前記複数の波長の固体レーザ光の第２高調波及び和周波からなる波長変換光の波長分布は、前記固体レーザの励起を行う励起光源の波長により制御されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の波長変換レーザ。
12. 前記２種類以上のレーザ結晶のうち、発振波長が長いレーザ結晶内の固体レーザ光が発振する領域の温度は、発振波長が短いレーザ結晶内の固体レーザ光が発振する領域の温度より高い温度に制御されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の波長変換レーザ。
13. 前記共振器内に配置されるレンズをさらに備え、
    前記レンズは、前記波長変換素子内の固体レーザ光のビーム径を前記レーザ結晶内の固体レーザ光のビーム径よりも小さくし、
    前記レンズに前記波長変換光を反射するコーティングが形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の波長変換レーザ。
14. 前記波長変換素子の端面は、前記共振器の出力ミラーとなり、
    前記レンズは、前記波長変換光を反射し、
    前記波長変換光は、前記波長変換素子内に前記固体レーザ光と一致して再入射することなく、前記共振器外部に出力されることを特徴とする請求項１３記載の波長変換レーザ。
15. 前記共振器は、波長が異なり且つ偏光が直交する波長の共振を行い、
    前記波長変換素子は、前記波長の直交する偏光成分に対して傾いた光学軸を有し、波長と偏光とが異なる発振波長を第２高調波及び和周波へ位相整合し、複数の波長の第２高調波及び和周波を同時に出力することを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ。
16. 前記２種類以上のレーザ結晶は、最も励起光の吸収係数が少ないレーザ結晶が励起光源側に位置するようにレーザ結晶同士を貼り合わされ、一つの励起光源により励起されることを特徴とする請求項１〜９、１１〜１４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
17. 前記最も励起光の吸収係数が少ないレーザ結晶の励起光入射面のうち励起光が入射されない領域に配置される冷却部材をさらに備え、
    前記最も励起光の吸収係数が少ないレーザ結晶の温度は、前記冷却部材により、他のレーザ結晶の温度よりも低くなるように調整されることを特徴とする請求項１６記載の波長変換レーザ。
18. 前記レーザ結晶を励起する励起光源をさらに備え、
    前記励起光源は、励起光を変調することにより、前記レーザ結晶の温度を時間的に変化させ、前記レーザ結晶から発振される波長のスペクトル幅を拡げ、前記第２高調波及び和周波のスペクトルの重なりを増加させることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の波長変換レーザ。
19. 前記波長変換素子は、複数の分極反転周期構造を有する多周期波長変換素子を含み、
    前記複数の分極反転周期構造の周期は、前記複数の波長の固体レーザ光の第２高調波の発生に対応する周期を少なくとも含み、
    前記多周期波長変換素子は、前記複数の波長の固体レーザ光の波長の第２高調波及び和周波を発生することを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の波長変換レーザ。
20. 前記固体レーザは、縦マルチモード発振を行い、
    前記波長変換素子は、分極反転周期構造を有するマイクロチップからなり、前記縦マルチモード発振の第２高調波及び和調波を発生する波長変換を行い、
    前記レーザ結晶と前記波長変換素子との間に配置され、固体レーザ光のビーム径を前記レーザ結晶よりも前記波長変換素子内で小さくし、且つ波長変換された光を反射するレンズをさらに備え、
    前記レーザ結晶及び前記波長変換素子の端面は、前記固体レーザの共振器の反射面となることを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ。
21. 前記レンズの少なくとも一方のレンズ面は、固体レーザ光の拡がり角より大きな角度で固体レーザ光に対して傾斜し、
    前記レンズ面で反射される波長変換光は、前記共振器内で固体レーザ光と分離して前記共振器外部に出力されることを特徴とする請求項２０記載の波長変換レーザ。
22. 前記レンズは、平凸レンズからなり、
    前記平凸レンズの前記波長変換素子側の面は、平面であることを特徴とする請求項２０又は２１記載の波長変換レーザ。
23. 前記レーザ結晶と前記レンズの主点との間の距離Ｌ１と、前記波長変換素子と前記レンズの主点との間の距離Ｌ２と、前記レンズの焦点距離ｆとは、下記の関係を満たすことを特徴とする請求項1記載の波長変換レーザ。
    ｆ＜Ｌ２＜Ｌ１
    Ｌ２＜２×ｆ
    Ｌ１＋ｆ＞２×Ｌ２
    Ｌ１−ｆ＜２０ｍｍ
24. 前記レンズは、メニスカスレンズからなり、
    前記メニスカスレンズの前記波長変換素子側の面は、凹面であることを特徴とする請求項２０又は２１記載の波長変換レーザ。
25. 前記レーザ結晶は、励起光吸収率の異なる２つ以上の結晶からなり、前記レーザ結晶を励起する励起光源側から吸収率が順に高くなるように、直列的に配置されることを特徴とする請求項２０〜２４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
26. 前記レンズの波長変換光の反射位置を光軸とする合成光学系をさらに備え、
    前記合成光学系は、前記レンズで反射される波長変換光と、前記レンズに入射しない波長変換光との２つの波長変換光を、一つのビームとして合成することを特徴とする請求項２０〜２５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
27. 前記レーザ結晶は、Ｎｄ添加Ｇｄ_ＸＹ_１−ＸＹＶＯ_４結晶（但し、０＜Ｘ＜１）を含み、
    前記固体レーザは、共振器内で縦マルチモード発振を行い、
    前記波長変換素子は、縦マルチモード発振の第２高調波及び和周波を発生する波長変換を行うことを特徴とする請求項２０〜２６のいずれかに記載の波長変換レーザ。
28. 前記レンズは、屈折率分布型レンズからなり、
    前記屈折率分布型レンズは、前記レーザ結晶及び前記波長変換素子の少なくとも一方に接合されていることを特徴とする請求項２０又は２１記載の波長変換レーザ。
29. 前記レンズは、シリンドリカルレンズからなり、
    前記シリンドリカルレンズで反射される波長変換光は、前記シリンドリカルレンズで反射せずに出力される波長変換光に対して傾いて出射することを特徴とする請求項２０又は２１記載の波長変換レーザ。
30. 請求項１〜２９のいずれかに記載の波長変換レーザと、
    前記波長変換光の変調を行う素子とを備えることを特徴とする画像表示装置。
31. 赤色の波長を発振する赤色レーザ光源と、
    緑色の波長を発振する緑色レーザ光源と、
    青色の波長を発振する青色レーザ光源とを備え、
    前記緑色レーザ光源は、請求項１〜２９のいずれかに記載の波長変換レーザを含み、
    前記赤色レーザ光源、前記緑色レーザ光源及び前記青色レーザ光源は、色毎にレーザ光を順次出射し、
    前記波長変換レーザは、前記励起光の出射と停止とを繰り返すことにより、前記波長変換光のスペクトル幅を拡げることを特徴とする請求項３０記載の画像表示装置。

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