JP6171950B2

JP6171950B2 - レーザ発振器及び波長切替装置

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Publication number: JP6171950B2
Application number: JP2014011251A
Authority: JP
Inventors: 浩平酒井; 史生正田; 陽介秋野; 柳澤　隆行; 隆行柳澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: JP2015138938A

Description

本発明は、プロジェクタ装置などの光源に用いられるレーザ発振器及び波長切替装置に関するものである。

プロジェクタ装置やプロジェクションテレビなどのカラー画像を表示する装置では、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が必要とされる。これらの光源としては、半導体レーザが効率のよい光源として期待されているが、現状、緑色の半導体レーザは未だ発展途上である。

これら３原色光を得る他の手段として、レーザ発振器がある。レーザ発振器は、高いエネルギーを出力する半導体レーザ、例えば、８０８nm帯の半導体レーザを用いてレーザ媒質を励起し、このレーザ媒質から出力される光を波長選択し、波長選択した光を増幅してレーザ光として発振する。

具体的には、レーザ発振器は、例えばＮｄ：ＹＶＯ４等のレーザ媒質と、このレーザ媒質を励起する半導体レーザと、レーザ媒質を挟んで対向するように設けられた全反射ミラー及び部分反射ミラーからなる共振器とから構成される。レーザ発振器は、半導体レーザのレーザ光によりレーザ媒質を励起し、このレーザ媒質から出力される９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のいずれか１つの波長の光を全反射ミラーにより波長選択する。波長選択は、全反射ミラーを特定波長の光のみ反射するものを用いることにより実現される。レーザ発振器は、波長選択した光を共振器によってレーザ媒質を介して往復させることにより増幅し、部分反射ミラーから出力する。なお、全反射ミラーは、反射面に対して垂直に入射する特定の波長の光を１００％に近い反射効率で反射することができる。

レーザ発振器によって上記３原色光のうちの1つ、例えば、６７１ｎｍ(Ｒ)の波長の光を得る場合、レーザ発振器は、増幅した基本波１３４２ｎｍの光を波長変換素子により第２高調波変換（ＳＨＧ：ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）することで得られる。その他の波長の５３２ｎｍ(Ｇ)、４５７ｎｍ(Ｂ)の光についても、同様に、それぞれ１０６４ｎｍ、９１４ｎｍの光を第２高調波変換することにより、５３２ｎｍ(Ｇ)、４５７ｎｍ(Ｂ)の波長の光を得ることができる(例えば、特許文献１参照)。

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術は、レーザ媒質から出力される基本波（１３４２ｎｍ、１０６４ｎｍ、９１４ｎｍ)のうち１つの光を波長選択して増幅する必要があるので、各波長の光を得るために必要な全反射ミラーが異なる。よって、レーザ発振器を３台用意するか、もしくは全反射ミラーの交換を行う必要がある。したがって、部品点数が多くなり、製作コストが高くなる。そこで、１つのレーザ発振器で３原色光を切り替える技術が望まれている。

レーザ光の波長を切り替える技術として、全反射ミラーに代えて回折格子を使用し、この回折格子の角度を変えることにより所望の波長の光に切り替える技術が開示されている。（例えば、特許文献２）。回折格子は、ガラス基板等に溝を刻んだもので、光の回折現象を利用して波長を分離することができる。また、回折格子は、光が入射する角度を変えることによって、反射する光の方向を変更することができる。上記特許文献２の技術は、この性質を利用し、回折格子の設置角度を変えて光の入射角を変更し、特定波長の光をレーザ媒質に正反射させることで波長の切り替えを行う。

特開特開２０１２−９８４９５号公報特開２００３−６９１４６号公報

しかしながら、上記特許文献２の技術のように、回折格子を用いる場合、一般的に絶対回折効率が７０％程度と低く、損失が大きい。この回折格子を上記特許文献１のような波長変換素子を用いて、基本波を第２高調波変換するレーザ発振器に適用した場合、第２高調変換時における光の損失が大きいため、レーザ発振しない。第２高調波変換するレーザ発振器においては、波長選択する回折格子を全反射ミラーと同等の絶対回折効率（約９０％以上）のものとする必要がある。

ここで、回折格子の一種であるボリューム・ブラッグ・グレーティング（以下、ＶＢＧとする）を利用することが考えられる。ＶＢＧは、回折格子の一種であって、ガラス内部に屈折率の異なる位相パターンが形成されたものである。ＶＢＧは特定の角度で入射する特定波長の光を１００％に近い効率で反射することができる。しかしながら、ＶＢＧは、光の入射角を変えることによって、特定波長の光の反射又は透過を切り替えることは可能だが、光の入射角を変化させることによって、ＲＧＢの基本波のような、幅広い波長帯域の切り替え（例えば、９００ｎｍ帯と１３００ｎｍ帯の切り替え）はできないという問題があった。

本発明に係る波長切替装置及びレーザ発振器は、上記課題を解決するため、ＲＧＢ等の基本波レーザ光のうち２つを切り替え可能なレーザ発振器を提供する。

本発明のレーザ発振器は、第１波長の光を選択して反射する第１の反射ミラーと、前記第１波長及び第２波長の光を反射する第２の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーとの間を往復する光の光軸上に設置され、該光を増幅するレーザ媒質と、前記レーザ媒質により増幅された光を第２高調波変換して前記第２の反射ミラーに出力する波長変換素子と、を備えるレーザ発振器において、前記第１の反射ミラーの光の反射面に設けられ、前記レーザ媒質から入射する光の入射角に応じて前記第２波長の光を選択して反射するボリューム・ブラッグ・グレーティングと、前記第１の反射ミラーを保持し、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面が前記光軸に対して垂直又は特定の角度を形成するよう前記第１の反射ミラーを駆動する角度調整機構と、を備え、前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して垂直とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に垂直に入射する光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した光のうち前記第１波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して特定の角度とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に特定の角度で入射する光のうち前記第２波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、前記第２波長以外の光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した第２波長以外の光を前記光軸とは異なる方向に反射して、前記レーザ媒質に入射させないことを特徴する。

本発明の波長切替装置は、光を増幅するレーザ媒質から出力される光のうち、第１波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射する第１の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーの光の反射面に設けられ、前記レーザ媒質から入射する光の入射角に応じて第２波長の光を選択して反射するボリューム・ブラッグ・グレーティングと、前記第１の反射ミラーを保持し、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面が前記レーザ媒質から出力される光の光軸に対して垂直又は特定の角度を形成するよう前記第１の反射ミラーを駆動する角度調整機構と、を備え、前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及びボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して垂直とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に垂直に入射する光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した光のうち前記第１波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して特定の角度とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に特定の角度で入射する光のうち前記第２波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、前記第２波長以外の光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した第２波長以外の光を前記光軸とは異なる方向に反射して、前記レーザ媒質に入射させないことを特徴する。

本発明のレーザ発振器は、第１波長の光を反射する第１の反射ミラーの反射面に、レーザ媒質から入射する光の入射角に応じて第２波長の光を選択して反射するボリューム・ブラッグ・グレーティングを設け、角度調節機構により、第１の反射ミラー及びボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面がレーザ媒質から出力される光の光軸に対して垂直又は特定の角度を形成するよう第１の反射ミラーを駆動するので、例えば、ＲＧＢの基本波等のレーザ光のうち２つを切り替えることが可能となる。

実施の形態１に係るレーザ発振器の構成図。実施の形態１に係る波長切替装置が第２波長の光を選択する例。実施の形態１に係る波長切替装置が第１波長の光を選択する例。実施の形態１に係る波長切替装置が第１波長の光を選択して発振する例。実施の形態１に係るレーザ発振器が第２波長の光を選択して発振する例。実施の形態２に係るレーザ発振器の構成図。実施の形態２に係るレーザ発振器が第１波長の光を選択する例。実施の形態２に係るレーザ発振器が第２波長の光を選択する例実施の形態２に係るレーザ発振器が第３波長の光を選択する例。実施の形態３に係るレーザ発振器の構成図。実施の形態３に係るレーザ発振器が第１波長の光を発振する例。実施の形態３に係るレーザ発振器が第２波長の光を発振する例。

実施の形態１
以下、図１から図５を用いて実施の形態１に係るレーザ発振器の構成について説明する。

図１においてレーザ発振器は、波長切替装置１とレーザ媒質５と半導体レーザ６と波長変換素子７と部分反射ミラー８（第２の反射ミラー）とを備える。

半導体レーザ６は、レーザ媒質５の励起光源であり、第１波長と第２波長の２つのエネルギー準位を励起できるように、より短波長の励起光を出力する。半導体レーザ６は、発振した励起光をレーザ媒質５に入射する。例えば、レーザ媒質５がＮｄ：ＹＶＯ４である場合には、発振波長を８０８ｎｍとする。

レーザ媒質５は、半導体レーザ６から出力された励起光を受けて、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２を含む光を出力する。レーザ媒質５は、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２に対して利得を持つ材料であり、ＶＢＧ２の光の反射面２ｂ（以下、第２の面とする）と端面５ａ、及び後述する波長変換素子７の光の入射面７ａと端面５ｂとが向かい合うように配置されている。

波長変換素子７は、レーザ媒質５から出力された光を第２高調波変換する。また、波長変換素子７は、レーザ媒質５の端面５ｂと向かい合うように配置されている。さらに、波長変換素子７は、第１波長の光λ１を第２高調波変換する波長変換領域７Ａと第２波長の光λ２を波長変換する波長変換領域７Ｂに分かれている。

第２の反射ミラー８は、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２の一部をレーザ媒質５に反射する。また、第２の反射ミラー８は、波長変換素子７の第２の面７ｂに設けられる。すなわち、本実施の形態においては、第２の反射ミラー８は、レーザ媒質５から出力される光の光軸に対して反射面が垂直に設けられる。

波長切替装置１は、レーザ媒質５から出力された光のうち、第１波長の光λ１又は第２波長の光λ２を選択してレーザ媒質５へ反射する。また、波長切替装置１は、ＶＢＧ２、全反射ミラー３（第１の反射ミラー）、及び角度調整機構４から構成されている。また、以下の説明において、第２の反射ミラー８と、波長切替装置１とを共振器とする。

以下、波長切替装置１の構成について詳細に説明する。

ＶＢＧ２は、ガラスの屈折率を周期的に変化させ、回折格子を形成したものである。このため、このＶＢＧ２は、第２の面２ｂがレーザ媒質５から出力された光の光軸に対して特定の角度（例えば、第１の角度θ１）となった場合に、第２波長の光を選択して光の来た方向、すなわちレーザ媒質５へ反射し、その他の波長の光を透過する性質を持つ。以降の説明において、ＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３及び第２の反射ミラー８が、レーザ媒質から出力された光のうち所定の光を選択してレーザ媒質へ反射することを正反射と定義する。

第１の反射ミラー３は、レーザ媒質５から出力された光の光軸に対して、第１の反射ミラー３の反射面が垂直となった場合に、第１波長の光λ１を選択して正反射し、その他の光は透過する。また、レーザ媒質５から出力される光の光軸に対して、反射面がθ１の角度となった場合には、全ての光をレーザ媒質５とは異なる方向に反射、又は透過するように設計される。

角度調整機構４は、第１の反射ミラー３を保持し、駆動させることによって、ＶＢＧ２の角度を第１の角度θ１と、垂直とに切り替える。

レーザ媒質５は、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２に対して利得を持つ材料であり、ＶＢＧ２の第２の面２ｂと向かい合うように配置されている。なお、以降の説明において、角度調節機構４によって調整されるＶＢＧ２、第１の反射ミラー３、又は第２の反射ミラー８の角度はＶＢＧ２の反射面２ｂ、第１の反射ミラー３の反射面と光軸とがなす角として定義する。

次に、図２、図３を用いて、実施の形態１に係る波長切替装置の動作について説明する。図２は実施の形態１に係る波長切替装置が第２波長の光を選択する例である。図３は実施の形態１に係る波長切替装置が第１波長の光を選択する例である。なお、実施の形態１に係るレーザ発振器の動作の説明において、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２が混在してＶＢＧ２の第２の面２ｂから入射する場合を例として説明する。

図２において、角度調整機構４により、ＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の角度を第１の角度θ１とすると、ＶＢＧ２は、第２波長の光λ２を正反射する。このとき、第１波長の光λ１はＶＢＧ２を透過し、第１の反射ミラー３に入射する。第１の反射ミラー３は、反射面に対して光が垂直に入射した場合に最も反射特性がよくなるように設計されているので、第１波長の光λ１を入射時と同一の経路とは異なる方向に反射する。このように、角度調整機構４によりＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の角度を第１の角度θ１とすると、波長切替装置１は、第２波長の光λ２を正反射する。

一方、図３において、角度調整機構４により、ＶＢＧ２の第２の面２ｂの角度をレーザ媒質５から出力された光の光軸に対して垂直にすると、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２はともにＶＢＧ２を透過し、第１の反射ミラー３に垂直に入射する。第１の反射ミラー３は、第２波長の光λ２を透過し、第１波長の光λ１を正反射する。このように、角度調整機構４によりＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の角度を垂直とすると、波長切替装置１は、第１波長の光λ１を正反射する。

以上のように、ＶＢＧ２の角度を第１の角度θ１とすると、波長切替装置１は、第２波長の光λ２を正反射し、角度を垂直にすると第１波長の光λ１を正反射することが可能となり、ＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の角度を調整するだけで、選択する波長を切り替えることができる。なお、ＶＢＧ２、第１の反射ミラー３で反射及び透過が可能な波長であれば、第１波長と第２波長に特に制限は無い。

次に、図４、図５を用いて、実施の形態１に係るレーザ発振器の動作について説明する。図４は実施の形態１に係る波長切替装置が第１波長の光を選択して発振する例である。図５は実施の形態１に係るレーザ発振器が第２波長の光を選択して発振する例である。

図４において、レーザ媒質５から、基本波である第１波長の光と第２波長の光が端面５ａと５ｂより出力される。

半導体レーザ６により発振された励起光をレーザ媒質５の側面５ｃより入射し、レーザ媒質５に吸収させると、レーザ媒質５は励起され、基本波である第１波長の光λ１と第２波長の光λ２を含む光を端面５ａと５ｂより出力する。

角度調整機構４により、ＶＢＧ２の角度を垂直とすると、波長切替装置１は、第１波長の光λ１を反射し、第２波長の光λ２を透過する。一方、第２の反射ミラー８は第１波長の光λ１と第２波長の光λ２を反射する。このとき、第１波長の光λ１は、第２波長の光λ２に比べて共振器内での光損失がより小さくなるため、発振閾値が小さくなり、第１波長の光λ１がレーザ発振する。すなわち、第１波長の光λ１は、ＶＢＧ２と第２の反射ミラー８との間で高い効率で増幅され、レーザ発振する。

具体的には、端面５ａから出力された第１波長の光λ１は、波長切替装置１で反射され、さらにレーザ媒質５で増幅され、波長変換素子７に入射する。また、第１波長の光λ１は、波長変換領域７Ａにおいて第２高調波に変換され、第１波長の半分の波長のレーザ光λ１ａを発生する。

変換されずに残った第１波長の光λ１は、第２の反射ミラー８により反射され、波長変換領域７Ｂを透過し、波長変換領域７Ａにおいて再び第２高調波に変換される。

さらに変換されずに残った第１波長の光λ１は、レーザ媒質５に戻る。第２の反射ミラー８を、第１波長の半分の波長の光λ１ａに対して透過するようにすることで、波長変換光が第２の反射ミラー８より出力される。

一方、図５において、半導体レーザ６により発振された励起光をレーザ媒質５の側面５ｃより入射し、レーザ媒質５に吸収させると、レーザ媒質５は励起され、基本波である第１波長の光λ１と第２波長の光λ２を含む光を端面５ａと５ｂより出力する。

角度調整機構４により、ＶＢＧ２の角度を第１の角度θ１とすると、前述したように、波長切替装置１は、第２波長の光λ２をレーザ媒質５に正反射し、第１波長の光λ１を透過又はレーザ媒質５に入射しない方向に反射する。

一方、第２の反射ミラー８は、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２をレーザ媒質５に正反射する。このとき、第２波長の光λ２は、第１波長の光λ１に比べて共振器内での光損失がより小さくなるため、発振閾値が小さくなり、第２波長の光λ２がレーザ発振する。すなわち、第２波長の光λ２は、ＶＢＧ２と第２の反射ミラー８との間で高い効率で増幅され、レーザ発振する。

具体的には、端面５ａから出力された第２波長の光λ２は、波長切替装置１で反射され、さらにレーザ媒質５で増幅され、波長変換素子７に入射する。第２波長の光λ２は、波長変換領域７Ｂにおいて第２高調波に変換され、第２波長の半分の波長のレーザ光λ２ａを発生する。

変換されずに残った第２波長の光λ２は、第２の反射ミラー８により反射され、波長変換領域７Ｂにおいて再び第２高調波に変換される。さらに、変換されずに残った第２波長の光λ２は、波長変換領域７Ａを透過し、レーザ媒質５に戻る。第２の反射ミラー８を、発生した第２波長の半分の波長のレーザ光λ２ａに対して透過するようにすることで、波長変換光λ２ａが第２の反射ミラー８から出力される。

以上のように、ＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の角度を第１の角度θ１にすると第２波長の半分の波長のレーザ光λ２ａを発振し、角度を垂直にすると第１波長の半分の波長のレーザ光λ１ａを発振することが可能になり、ＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の角度を調整するだけでレーザ発振器の発振波長を切り替えることができる。

なお、本実施の形態に係るレーザ媒質５の一例としては、例えば波長９１４ｎｍと１０６４ｎｍと１３４２ｎｍに利得を持つＮｄ：ＹＶＯ４材料を用いることが考えられる。この場合、第１波長を９１４ｎｍ、第２波長を例えば１０６４ｎｍとすることができる。また、上記原理により、９１４ｎｍの第２高調波である４５７ｎｍの波長の光と、１０６４ｎｍの第２高調波である５３２ｎｍの波長の光を、ＶＢＧ２の角度を調整するだけで切り替えることができる。これにより、３原色のうち、青(４５７ｎｍ)と緑(５３２ｎｍ)を１つのレーザ発振器で切り替えて発振させることが可能となる。発振させる２つの基本波の波長は、例えば９１４ｎｍと１３４２ｎｍでもよく、その場合は、青(４５７ｎｍ)と赤(６７１ｎｍ)の光が得られる。以下の実施の形態についても同様のものとする。

また、本実施の形態に係るＶＢＧ２は、波長選択性が良いため、１ｎｍ以下の波長差の光に対して、反射又は透過を切り替えることが可能である。本実施の形態に係るレーザ発振器は、この性質を利用して、発振させる光を３原色に制限する必要は無く、１０６４ｎｍと１０８６ｎｍを基本波に用いて、例えば、５３２ｎｍと５４３ｎｍのように僅かに異なる波長の緑色光を切り替えることも可能である。以下の実施の形態についても同様のものとする。

さらに、本実施の形態に係るレーザ媒質５の種類は、複数の波長に利得を持つ材料であれば、固体、液体、気体など種類は問わない。以下の実施の形態についても同様のものとする。

なお、本実施の形態に係るレーザ発振器の説明では、半導体レーザ６をレーザ媒質５の側面５ｃから入射する側面励起方式を例として示したが、端面励起方式としても当然同様の効果を得ることができる。その場合、例えばＶＢＧ２の第１の面２ａ側に半導体レーザ６を配置し、半導体レーザ６から出力された励起光が第１の反射ミラー３とＶＢＧ２を透過して、端面５ａから入射するように設計を行えばよい。以下の実施の形態についても同様のものとする。

また、本実施の形態に係るレーザ発振器の説明では、ＶＢＧ２の第１の面２ａに第１の反射ミラー３を設けたが、第２の面２ｂに設けても同様の効果が得られる。その場合、第１の反射ミラー３はＶＢＧ２で反射する第２波長の光を透過する。以下の実施の形態についても同様のものとする。

さらに、本実施の形態では、ＶＢＧ２と第１の反射ミラー３を全反射ミラー、第２の反射ミラー８を部分反射ミラーとして、レーザ光を取り出す例を示したが、ＶＢＧ２と第１の反射ミラー３を部分反射ミラー、第２の反射ミラー８を全反射ミラーとして構成することも当然可能である。この場合は、ＶＢＧ２及び全反射ミラーは、波長変換光を透過する必要がある。以下の実施の形態についても同様のものとする。

また、波長変換素子７としては、例えば分極反転を形成したＭｇ添加のＬｉＮｂＯ３材料やＭｇ添加のＬｉＴａＯ３材料を用いることが考えられる。この場合、図１の構成にあるように、１つの波長変換素子７に異なる２つの分極反転周期を形成することで、第１波長の光λ１を波長変換しλ１ａの波長の光を発生させる第１波長変換素子と、第２波長の光λ２を波長変換しλ２ａの波長の光を発生させる第２波長変換素子を一体化することができる。さらに、２つの波長変換素子７を個別に配置したり、配置する順番を変更したり、それぞれの素子を別々の材料で作製しても、同様の効果が得られる。また、波長変換素子７を波長切替装置１及び第２の反射ミラー８の外部に配置する外部波長変換方式としてもよい。以下の実施の形態についても同様のものとする。

以上のように、実施の形態１に係るレーザ発振器は、反射面に対して垂直に入射する光のうち第１波長の光を選択してレーザ媒質５に反射する第１の反射ミラー３と、反射面に対して特定の角度で入射する光のうち、第２波長の光を選択して反射するＶＢＧ２と、第１の反射ミラー３及びＶＢＧ２の反射面が光軸に対して垂直又は特定の角度を形成するよう第１の反射ミラー３を駆動する角度調整機構４とを備えるので、ＲＧＢ等のレーザ光のうち２つを切り替えることが可能となる。

また、本実施の形態に係るレーザ発振器は、ＶＢＧ２と第１の反射ミラー３とを組み合わせて波長切替装置１を構成したので、ＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３が独立して異なる波長の光を高効率で反射することが可能となり、波長変換素子７を用いた場合においても、光の損失が少なく、レーザ発振することが可能となる。

実施の形態２．
以下、図６から図９を用いて実施の形態２に係るレーザ発振器について説明する。実施の形態２に係るレーザ発振器は図１において説明したレーザ発振器の波長切替装置をレーザ媒質５の両端面側に設けることにより、３つの波長の光を切り替えることを特徴とする。

なお、本実施の形態において、波長切替装置１は第１の波長切替装置１、ＶＢＧ２は第１のＶＢＧ２、及び角度調整機構４は第１の角度調整機構４として説明する。

本実施の形態において、半導体レーザ５は、第１波長と第２波長に加えて、第３波長を含めた３つの波長のエネルギー準位を励起できるような短波長の励起光を出力する。

また、レーザ媒質５は、半導体レーザ６から出力された励起光を受けて、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２に加えて、第３波長の光λ３を含む光を出力する。したがって、レーザ媒質５は、第１波長の光λ１、第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３に対して利得を持つ材料を使用する。

さらに、波長変換素子７は、第１波長の光λ１を第２高調波変換する波長変換領域７Ａと第２波長の光λ２を第２高調波変換する波長変換領域７Ｂとに加え、第３波長の光λ３を波長変換する波長変換領域７Ｃとに分かれている。

以下、図６を用いて実施の形態２に係るレーザ発振器の構成について説明する。図６は、実施の形態２に係るレーザ発振器の構成図である。なお、実施の形態１のレーザ発振器の構成に相当する部分には図１と同一符号を付してその説明を省略する。

図６において、レーザ発振器は、さらに波長切替装置１０（第２の波長切替装置）を備える。

第２の波長切替装置１０は、レーザ媒質５から出力された光のうち、第１波長の光λ１又は第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３を選択して波長変換素子７へ反射する。第２の波長切替装置１０は、第２のＶＢＧ１１と、第２の反射ミラー８と、第２の角度調整機構１３から構成されており、レーザ媒質５から出力される光の光軸に対する第２のＶＢＧ１１及び第２の反射ミラー８の反射面がなす角が第２の角度θ２の場合に第１波長の光λ１を反射し、垂直の場合に第２波長の光λ２と第３波長の光λ３を反射する。

以下、詳細に第２の波長切替装置１０の構成について説明する。

第２のＶＢＧ１１は、光の反射面１１ａ（以下、第３の面とする）がレーザ媒質５から出力された光の光軸に対して第２の角度θ２となった場合に、第１波長の光を選択して光の来た方向、すなわちレーザ媒質５へ反射し、その他の波長の光を透過する。

第２の反射ミラー８は、本実施の形態において、第２のＶＢＧ１１の第４の面１１ｂに設けられる。また、第２の反射ミラー８は、レーザ媒質５から出力された光の光軸に対して、第２の反射ミラー８の反射面が垂直となった場合に、第２波長の光λ２と第３波長の光λ３をレーザ媒質５に反射し、その他の光は透過する。さらに、第２の反射ミラー８は、レーザ媒質５から出力される光の光軸に対して、反射面が第２の角度θ２の角度となった場合には、全ての光をレーザ媒質５とは異なる方向に反射、又は透過するように設計される。

第２の角度調整機構１３は、第２の反射ミラー８を保持し、駆動させることにより、第２の反射ミラー８の反射面及び第２のＶＢＧ１１の反射面１１ａの角度をレーザ媒質５から出力される光の光軸に対して第２の角度θ２又は垂直に切り替える。なお、以下の説明において、第１及び第２の波長切替装置とを共振器とする。

次に、図７から図９を用いて、実施の形態２に係る波長切替装置の動作について説明する。

図７は実施の形態２に係るレーザ発振器が第１波長の光を選択する例である。図８は実施の形態２に係るレーザ発振器が第２波長の光を選択する例である。図９は実施の形態２に係るレーザ発振器が第３波長の光を選択する例である。なお、実施の形態２に係るレーザ発振器の動作の説明において、第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、第３波長の光λ３が混在して、第１のＶＢＧ２の第２の面２ｂ及び第２のＶＢＧ１１の第３の面１１ａに入射する場合を例として説明する。

次に、図７を用いて、第１波長の光λ１を発振する例について説明する。

図７において、レーザ媒質５は、基本波である第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、及び第３波長の光λ３を端面５ａと５ｂより出力する。

第１の角度調整機構４により、第１のＶＢＧ２の角度を垂直とすると、第１の波長切替装置１は、第１波長の光λ１と第３波長の光λ３をレーザ媒質５に反射し、第２波長の光λ２が透過する。

具体的には、第１のＶＢＧ２は、端面５ａから出力された光、すなわち、第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、及び第３波長の光λ３を透過する。また、第１のＶＢＧ２によって透過された第１波長の光λ１及び第３波長の光λ３は、第１の反射ミラー３によってレーザ媒質５に反射される。

さらに、第１の波長切替装置１で反射された第１波長の光λ１は、レーザ媒質５で増幅され、波長変換素子７に入射する。

波長変換素子７に入射した第１波長の光λ１の一部は、波長変換領域７Ａにおいて第２高調波に変換され、第１波長の半分の波長のレーザ光λ１ａを発生する。

変換されずに残った第１波長の光λ１は、波長変換領域７Ｂ、７Ｃを透過する。

第２の角度調整機構１３により、第２のＶＢＧ１１の角度を第２の角度θ２とした第２の波長切替装置１０は、波長変換素子７で変換されずに残った第１波長の光λ１を選択して波長変換素子７へ反射する。

具体的には、第２のＶＢＧ１１は、第１波長の光λ１を波長変換素子７に反射し、それ以外の光、すなわち第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３については、透過する。また、第２のＶＢＧ１１で透過した第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３は、第２の反射ミラー８により波長変換素子７及びレーザ媒質５が設置された方向と異なる方向に反射、又は透過する。したがって、第１の波長切替装置１で反射された第３波長の光λ３は、共振器内に閉じ込められないため、増幅されず、発振しない。

なお、第２の反射ミラー８を、発生した第１波長の半分の波長のレーザ光λ１ａに対して透過するようにすることで、波長変換光が第２の反射ミラー８より出力される。

第２の波長切替装置１０で反射された第１波長の光λ１は、波長変換領域７Ｂ、７Ｃを透過し、波長変換領域７Ａにおいて一部が再び第２高調波に変換される。

このように、第１の波長切替装置１で第１波長の光λ１及び第３波長の光λ３をレーザ媒質５に反射し、第２の波長切替装置１０で第１波長の光λ１を選択して反射するので、第１波長の光λ１が増幅されて発振する。すなわち、第１波長の光λ１に対して、共振器内での光損失がより小さくなるため、発振閾値が小さくなり、第１波長の光λ１がレーザ発振する。

図８を用いて、第２波長の光λ２を発振する例について説明する。図８において、半導体レーザ６は、励起光をレーザ媒質５の側面５ｃより入射し、レーザ媒質５に吸収させる。レーザ媒質５は、励起光により励起され、基本波である第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、及び第３波長の光λ３を端面５ａと５ｂから出力する。

第１の角度調整機構４により、第１のＶＢＧ２の角度を第１の角度θ１とすると、第１の波長切替装置１は、端面５ａから出力された光のうち第２波長の光λ２を選択してレーザ媒質５に反射する。

具体的には、端面５ａから出力された光のうち第１のＶＢＧ２によって第２波長の光λ２を選択してレーザ媒質５に反射する。このとき、第１のＶＢＧ２は、第２波長以外の波長の光、すなわち第１波長の光λ１及び第３波長の光λ３を透過する。また、第１のＶＢＧ２によって透過された第１波長の光λ１及び第３波長の光λ３は、第１の反射ミラー３によってレーザ媒質５が設置された方向とは異なる方向に反射、又は透過する。

さらに、第１の波長切替装置１で反射された第２波長の光λ２は、レーザ媒質５で増幅され、波長変換素子７に入射する。

波長変換素子７に入射した第２波長の光λ２は、波長変換領域７Ａを透過し、波長変換領域７Ｂにおいて第２高調波変換され、第２波長の半分の波長の光λ２ａを発生する。

変換されずに残った第２波長の光λ２は、波長変換領域７Ｃを透過する。

第２の角度調整機構１３により、第２のＶＢＧ１１の角度を垂直とした第２の波長切替装置１０は、波長変換領域７Ｃを透過して第２高調波変換されなかった第２波長の光λ２を反射する。

具体的には、第２のＶＢＧ１１は、第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、及び第３波長の光λ３を透過する。また、第２のＶＢＧ１１で透過した光のうち第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３は、第２の反射ミラー８により波長変換素子７に反射される。さらに、第２のＶＢＧ１１を透過した第１波長の光λ１は、第２の反射ミラー８により透過される。なお、第２の反射ミラー８を第２波長の半分の波長のレーザ光λ２ａに対して透過するようにすることで、レーザ光λ２ａは、第２の反射ミラー８より出力される。

また、反射された第２波長の光λ２の一部は、波長変換領域７Ｃを透過し、波長変換領域７Ｂにおいて再び第２高調波に変換される。

波長変換領域７Ｂにて変換されずに残った第２波長の光λ２は、レーザ媒質５に戻り増幅されて再び第１の波長切替装置１に入射する。

このように、第１の波長切替装置１で第２波長の光λ２を反射してレーザ媒質５に反射し、第２の波長切替装置１０で第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３を選択して反射するので、第２波長の光λ２が増幅されて発振する。すなわち、第２波長の光λ２に対して、共振器内での光損失がより小さくなるため、発振閾値が小さくなり、第２波長の光λ２がレーザ発振する。なお、第３波長の光λ３は、第１の波長切替装置１で共振器内に閉じ込められないため、増幅されず、発振しない。

次に、図９を用いて、第３波長の光λ３を発振する例について説明する。

図９において、図７、８で説明した波長切替装置と同様にレーザ媒質５から、基本波である第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、及び第３波長の光λ３を端面５ａと５ｂより出力する。

第１の角度調整機構４により、第１のＶＢＧ２の角度を垂直とすると、第１の波長切替装置１は、第１波長の光λ１と第３波長の光λ３をレーザ媒質５に反射し、第２波長の光λ２を透過する。

具体的には、第１のＶＢＧ２は、端面５ａから出力された光、すなわち、第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、及び第３波長の光λ３を透過する。また、第１のＶＢＧ２によって透過された第１波長の光λ１及び第３波長の光λ３は、第１の反射ミラー３によってレーザ媒質５に反射され、第２波長の光λ２は透過される。したがって、第２波長の光λ２は、レーザ媒質５により増幅されず、発振しない。

第１の波長切替装置１で反射された第３波長の光λ３は、レーザ媒質５で増幅され、波長変換素子７に入射する。

また、波長変換素子７に入射した第３波長の光λ３は、波長変換領域７Ａと７Ｂを透過し、一部が波長変換領域７Ｃにおいて第２高調波変換され、第３波長の半分の波長のレーザ光λ３ａを発生する。

変換されずに残った第３波長の光λ３は、第２の波長切替装置１０に入射する。

第２の角度調整機構１３により、第２のＶＢＧ１１の角度を垂直とした第２の波長切替装置１０は、波長変換素子７で変換されずに残った第３波長の光λ３を選択して波長変換素子７へ反射する。

具体的には、第２のＶＢＧ１１は、第１波長の光λ１、第２波長の光λ２、及び第３波長の光λ３を透過する。また、第２のＶＢＧ１１で透過した光のうち第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３は、第２の反射ミラー８により波長変換素子７に反射される。さらに、第２のＶＢＧ１１を透過した第１波長の光は、第２の反射ミラーにより透過される。したがって、第１の波長切替装置１で反射された第１波長の光λ１は、共振器内に閉じ込められないため、増幅されず、発振しない。

なお、第２の反射ミラー８を、発生した第３波長の半分の波長のレーザ光λ３ａに対して透過するようにすることで、波長変換光が第２の反射ミラー８より出力される。

第２の波長切替装置１０で反射された第３波長の光λ３は、波長変換領域７Ｃにおいて一部が再び第２高調波に変換される。

このように、第１の波長切替装置１で第１波長の光λ１及び第３波長の光λ３をレーザ媒質５に反射し、第２の波長切替装置１０で第２波長の光λ２及び第３波長の光λ３を選択して反射するので、第３波長の光λ３が増幅されて発振する。すなわち、第３波長の光λ３に対して、共振器内での光損失がより小さくなるため、発振閾値が小さくなり、第３波長の光λ３がレーザ発振する。

なお、本実施の形態の説明において、第１の波長切替装置１及び第２の波長切替装置１０は、反射面をレーザ媒質５から出力される光の光軸に対して、第１の角度θ１及び第２の角度θ２とした場合に、第１のＶＢＧ２が、第２波長の光λ２を選択してレーザ媒質５に反射し、第２のＶＢＧ１１が、第１波長の光λ１を反射するものとした。このとき、第１の角度θ１及び第２の角度θ２は、特定の角度であればよく、第１の角度θ１及び第２の角度θ２に限られない。例えば、第１のＶＢＧ２は、第１の角度調整機構４により、レーザ媒質５から出力される光の光軸に対して第２の面２ｂが第２の角度θ２をなす場合に、第２波長の光λ２を反射してもよい。また、第２のＶＢＧ１１は、第２の角度調整機構１０により、レーザ媒質５から出力される光の光軸に対して第３の面１１ａが第３の角度θ３をなす場合に、第１波長の光λ１を反射してもよい。

以上のように、実施の形態２に係るレーザ発振器は、第１のＶＢＧ２と第１の反射ミラー３で構成される第１の波長切替装置１及び第２のＶＢＧ１１と第２の反射ミラー８とで構成される第２の波長切替装置１０で共振器を構成したので、ＲＧＢの基本波の３つの光を切り替えることができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係るレーザ発振器は、実施の形態１のレーザ発振器において、波長変換素子を除き、基本波波長の光を切り替えることを特徴とする。以下、図１０から図１２を用いて実施の形態３に係るレーザ発振器について説明する。

図１０はこの発明の実施の形態３に係るレーザ発振器の構成図である。なお、実施の形態１のレーザ発振器の構成に相当する部分には図１と同一符号を付してその説明を省略する。

図１０においてレーザ発振器は、波長切替装置１と、レーザ媒質５と、半導体レーザ６と、第２の反射ミラー８とを備える。

波長切替装置１は、ＶＢＧ２と、第１の反射ミラー３と、角度調整機構４から構成されており、レーザ媒質５から出力される光の光軸に対してＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の反射面が第１の角度θ１をなす場合に第２波長の光λ２を反射し、垂直の場合に第１波長の光λ１を反射する。

レーザ媒質５は第１波長の光λ１と第２波長の光λ２に対して利得を持つ材料であり、ＶＢＧ２の第２の面２ｂと向かい合うように配置されている。

半導体レーザ６は、レーザ媒質５の励起光源であり、第１波長と第２波長の２つのエネルギー準位を励起できるように、より短波長の励起光を発振する。半導体レーザ６は、発振した励起光をレーザ媒質５に入射できるように配置する。レーザ媒質５の端面５ｂには、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２を反射する第２の反射ミラー８が施されている。

次に図１１、図１２を用いて、実施の形態３に係るレーザ発振器の動作について説明する。図１１はこの発明の実施の形態３に係るレーザ発振器が第１波長の光を発振する例である。

図１１において、半導体レーザ６により発振された励起光をレーザ媒質５の側面５ｃより入射し、レーザ媒質５に吸収させると、レーザ媒質５は励起され、基本波である第１波長の光λ１と第２波長の光λ２を端面５ａと５ｂより出力する。

角度調整機構４により、ＶＢＧ２の角度を垂直とすると、波長切替装置１は、第１波長の光λ１をレーザ媒質５に反射し、第２波長の光λ２を透過する。

一方、第２の反射ミラー８は、第１波長の光λ１と第２波長の光λ２とを反射する。このとき、第１波長の光λ１に対して、共振器内での光損失がより小さくなるため、発振閾値が小さくなり、第１波長の光λ１がレーザ発振する。第２の反射ミラー８を、第１波長の光λ１に対して一部透過するようにすることで、第１波長の光λ１が第２の反射ミラー８より出力される。

次に、図１２を用いて、実施の形態３に係るレーザ発振器が第２波長の光を発振する動作について説明する。

図１２は発明の実施の形態３に係るレーザ発振器が第２波長の光を発振する例である。

図１２において、半導体レーザ６により発振された励起光をレーザ媒質５の側面５ｃより入射し、レーザ媒質５に吸収させると、レーザ媒質５は励起され、基本波である第１波長の光λ１と第２波長の光λ２を端面５ａと５ｂから出力する。

角度調整機構４により、ＶＢＧ２の角度を第１の角度θ１とすると、波長切替装置１は、第２波長の光λ２をレーザ媒質５に反射し、第１波長の光λ１を透過又はレーザ媒質５が設置された以外の領域へ反射する。

一方、第２の反射ミラー８により第１波長の光λ１と第２波長の光λ２がレーザ媒質５に反射される。このとき、第２波長の光λ２に対して、共振器内での光損失がより小さくなるため、発振閾値が小さくなり、第２波長の光λ２がレーザ発振する。第２の反射ミラー８を、第２波長の光λ２に対して一部透過するようにすることで、第２波長の光λ２が第２の反射ミラー８から出力される。

以上のように、波長切替装置１の角度を垂直にすると第１波長の光λ１を発振し、波長切替装置１の角度を第１の角度θ１にすると第２波長の光λ２を発振することが可能になり、ＶＢＧ２及び第１の反射ミラー３の角度を調整するだけでレーザ発振器の発振波長を切替え、所望の基本波の光を得ることができる。

なお、実施の形態２に係るレーザ発振器においても、波長変換素子７を除くことで、３波長の基本波を切り替えるレーザ発振器を構成することができる。

１波長切替装置（第１の波長切替装置）、２ボリューム・ブラッグ・グレーティング（第１のＶＢＧ）、３第１の反射ミラー（全反射ミラー）、４第１の角度調整機構、５レーザ媒質、６半導体レーザ、７波長変換素子、８第２の反射ミラー（部分反射ミラー）、１０第２の波長切替装置、１１第２のボリューム・ブラッグ・グレーティング（第２のＶＢＧ）１３第２の角度調整機構

Claims

第１波長の光を選択して反射する第１の反射ミラーと、
前記第１波長及び第２波長の光を反射する第２の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーとの間を往復する光の光軸上に設置され、該光を増幅するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質により増幅された光を第２高調波変換して前記第２の反射ミラーに出力する波長変換素子と、を備えるレーザ発振器において、
前記第１の反射ミラーの光の反射面に設けられ、前記レーザ媒質から入射する光の入射角に応じて前記第２波長の光を選択して反射するボリューム・ブラッグ・グレーティングと、
前記第１の反射ミラーを保持し、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面が前記光軸に対して垂直又は特定の角度を形成するよう前記第１の反射ミラーを駆動する角度調整機構と、を備え、
前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して垂直とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に垂直に入射する光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した光のうち前記第１波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、
前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して特定の角度とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に特定の角度で入射する光のうち前記第２波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、前記第２波長以外の光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した第２波長以外の光を前記光軸とは異なる方向に反射して、前記レーザ媒質に入射させないことを特徴するレーザ発振器。
前記第１の反射ミラー及び前記第２の反射ミラーは、さらに第３波長の光を選択して反射し、
前記レーザ発振器は、
前記第２の反射ミラーの光の反射面に設けられ、前記レーザ媒質から入射する光の入射角に応じて前記第１波長の光を選択して反射する第２のボリューム・ブラッグ・グレーティングと、
前記第２の反射ミラーを保持し、前記第２の反射ミラー及び前記第２のボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面が前記光軸に対して垂直又は特定の角度を形成するよう前記第２の反射ミラーを駆動する第２の角度調整機構と、を備え、
前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して垂直とした場合に、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した光のうち前記第１波長の光及び前記第３波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、
前記第２の角度調整機構により、前記第２の反射ミラー及び前記第２のボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して垂直とした場合に、前記第２の反射ミラーは、前記第２のボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した光のうち前記第２波長の光及び前記第３波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、
前記第２の角度調整機構により、前記第２の反射ミラー及び前記第２のボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して特定の角度とした場合に、前記第２のボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に特定の角度で入射する光のうち前記第１波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、前記第１波長以外の光を透過し、前記第２の反射ミラーは、前記第２のボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した第２波長以外の光を前記光軸とは異なる方向に反射して、前記レーザ媒質に入射させないことを特徴する請求項１に記載のレーザ発振器。
光を増幅するレーザ媒質から出力される光のうち、第１波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射する第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーの光の反射面に設けられ、前記レーザ媒質から入射する光の入射角に応じて第２波長の光を選択して反射するボリューム・ブラッグ・グレーティングと、
前記第１の反射ミラーを保持し、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面が前記レーザ媒質から出力される光の光軸に対して垂直又は特定の角度を形成するよう前記第１の反射ミラーを駆動する角度調整機構と、を備え、
前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して垂直とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に垂直に入射する光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した光のうち前記第１波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、
前記角度調整機構により、前記第１の反射ミラー及び前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングの反射面を前記光軸に対して特定の角度とした場合に、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングは、反射面に特定の角度で入射する光のうち前記第２波長の光を選択して前記レーザ媒質に反射し、前記第２波長以外の光を透過し、前記第１の反射ミラーは、前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングを透過した第２波長以外の光を前記光軸とは異なる方向に反射して、前記レーザ媒質に入射させないことを特徴する波長切替装置。