JP5312947B2 - 短波長光源およびレーザ画像形成装置 - Google Patents
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Description
最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の出力の不安定性について説明する。図12に、従来の短波長光源の概略構成を示す。図12の波長変換素子1201は、周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子であり、基本波1204を第2高調波(以下、「SHG」とする)1205に変換する場合、SHG1205の出力は基本波1204の2乗に比例して増大する。ところが、一定のSHG出力を越えると、SHG1205の出力が2乗特性から大きく低下する現象が観測された。図10に、基本波1204の入力パワーに対するSHG1205の出力の変化を示す。図10に示すように、SHG1205の出力パワーが1.5ワットを越えた付近から、2乗特性が成立していない。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面付近のSHG出力およびSHGのパワー密度が最も大きくなる箇所の放熱特性を良好にした構成の短波長光源について述べる。
次に、本発明の実施の形態3について説明する。上記の実施の形態2では、入射面付近から出射面付近までに発生する伝搬方向の温度分布を一定にするために波長変換素子を固定する放熱剤の材料を変えたが、放熱の方法はこの限りではない。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍の素子の厚みを薄くして放熱状態を良好にする。
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、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍を通過する基本波の経路を保持部に近接させて放熱状態を良好にする。
次に、本発明の実施の形態5について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍のヒートシンクの表面積を大きくして放熱状態を良好にする。
次に、本発明の実施の形態6について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面付近のSHG出力およびSHGのパワー密度が最も大きくなる箇所の温度にあわせるようにSHGのパワー劣化の発生しない部分を加熱して素子温度分布を抑制する構成の短波長光源について述べる。
次に、本発明の実施の形態7について説明する。最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の出力の不安定性について説明する。図19に、従来の短波長光源の他の概略構成を示す。図19の波長変換素子1001は、周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子であり、基本波1004を第2高調波(SHG)1005に変換する場合、SHG1005の出力は基本波1004の2乗に比例して増大する。ところが、一定のSHG出力を越えると、図12で示した波長変換素子1201と同様、SHG1005の出力が2乗特性から大きく低下する現象が観測された。
次に、本発明の実施の形態8について説明する。図16は、本発明の実施の形態8に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態9について説明する。最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の変換効率低下と出力の不安定性について説明する。一般に、バルク型の波長変換素子による波長変換は変換効率が低く、従来は固体レーザの共振器内部に波長変換素子を挿入する内部共振器型が主流であった。これに対して、周期状の分極反転構造を有するMgO:LiNbO3やMgO:LiTaO3、KTiOPO4などの高非線形光学材料を用いることで、基本波をシングルパスで波長変換する構成が可能になった。シングルパスによる波長変換の高効率化には、基本波光源、集光光学系に特有の特性が要求される。
ここで、Lは波長変換素子の長さ、ω0は1/e2(eは自然対数の底)集光スポット半径、λは基本波波長、nは基本波に対する屈折率、である。
次に、本発明の実施の形態10について説明する。本実施の形態は、発熱により位相整合条件がずれた部分の分極反転周期を短くすることで位相整合条件を補償して変換効率低下を抑制するものである。図22は、本発明の実施の形態10に係る短波長光源の概略構成を示す図である。
この場合、基本波から高調波への変換効率を最大にしつつ、高調波出力の安定化を図ることができる。
Claims (20)
- 基本波が入射される入射面および高調波が出射される出射面と、を有し、前記基本波を前記高調波に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子を保持する保持部と、
を備え、
前記波長変換素子は、前記波長変換素子の前記出射面側の一部の領域である特定領域において、前記波長変換素子による波長変換の際における前記高調波の吸収による発熱に起因する前記基本波と前記高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるように構成され、
前記特定領域の厚みは、前記特定領域以外の他の領域の厚みより薄いことを特徴とする短波長光源。 - 前記特定領域と前記保持部との間の熱抵抗は、前記特定領域以外の他の領域と前記保持部との間の熱抵抗より低いことを特徴とする請求項1に記載の短波長光源。
- 前記保持部は、前記特定領域の温度を変更する第1の温度変更部材を有し、
前記第1の温度変更部材は、前記特定領域の温度が前記特定領域以外の他の領域の温度と略同一となるように、前記特定領域の温度を変更することを特徴とする請求項1または2に記載の短波長光源。 - 前記高調波の光強度は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かうに方向に沿って増加しており、
前記特定領域は、前記高調波の光強度が所定値を超えた位置から前記出射面までの間の領域であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の短波長光源。 - 前記高調波の波長は、500nm〜550nmであり、前記所定値は、1.5Wであることを特徴とする請求項4に記載の短波長光源。
- 前記高調波の波長は、400nm〜450nmであり、前記所定値は、0.2Wであることを特徴とする請求項4に記載の短波長光源。
- 前記高調波の波長は、340nm〜400nmであり、前記所定値は、0.05Wであ
ることを特徴とする請求項4に記載の短波長光源。 - 前記特定領域の長さは、前記波長変換素子の長さの2分の1以下であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の短波長光源。
- 前記保持部はさらに、前記特定領域以外の他の領域の温度を変更する第2の温度変更部材を有し、
前記特定領域と前記第1の温度変更部材との間の熱抵抗θ1と前記特定領域以外の他の領域と前記第2の温度変更部材との間の熱抵抗θ2とは、以下の関係を満足することを特徴とする請求項3に記載の短波長光源。
θ1<θ2 - 前記波長変換素子内部の基本波のビーム経路と前記特定領域の前記保持部側の表面との間の距離は、前記基本波のビーム経路と前記特定領域以外の他の領域の前記保持部側の表面との間の距離より短いことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の短波長光源。
- 前記基本波のビームは、前記特定領域の前記保持部側の表面の近傍を通過することを特徴とする請求項10に記載の短波長光源。
- 前記基本波のビームは、前記特定領域または前記特定領域の近傍の領域の前記保持部側の表面で反射されることを特徴とする請求項10に記載の短波長光源。
- 前記第1の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第1の放熱部材であり、
前記第2の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域以外の他の領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第2の放熱部材であり、
前記第1の放熱部材の表面積は、前記第2の放熱部材の表面積より大きいことを特徴とする請求項9に記載の短波長光源。 - 前記特定領域以外の他の領域を加熱する加熱部をさらに備え、
前記加熱部は、前記特定領域以外の他の領域の温度が前記特定領域の温度と略同一となるように、前記特定領域以外の他の領域を加熱することを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の短波長光源。 - 前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域以外の他の領域の分極反転周期より短いことを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載の短波長光源。
- 前記特定領域の分極反転周期は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かう方向に沿って徐々に短くなるように設定されることを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載の短波長光源。
- 基本波光源から出射される基本波を前記波長変換素子に入射し、前記基本波を前記波長変換素子の内部に集光する光学系をさらに備え、
前記特定領域は、前記光学系による前記基本波の集光スポットの近接に位置し、且つ、前記集光スポットの前記出射面側に位置することを特徴とする請求項1ないし16のいずれか1項に記載の短波長光源。 - 前記基本波のビーム強度分布が、ガウス分布に近似され、
前記波長変換素子の長さL、前記集光スポットの半径ω0、前記基本波の波長λおよび前記基本波に対する前記波長変換素子の屈折率nが、以下の関係を実質的に満足する場合に、
前記特定領域は、前記入射面から前記出射面に向かってL/2〜2L/3離れた位置にあることを特徴とする請求項17に記載の短波長光源。
L×λ/(2π×n×ω0 2)=2.84 - 前記波長変換素子は、Mg、In、Zn、Scのうちの少なくとも1つが添加されたLiTa(1−x)NbxO3(0≦x≦1)であることを特徴とする請求項1に記載の短波長光源。
- 請求項1ないし19のいずれか1項に記載の短波長光源と、
前記短波長光源から出射される光を変調する空間光変調素子と、
を備えることを特徴とするレーザ画像形成装置。
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