WO2007013608A1 - レーザ光源およびディスプレイ装置 - Google Patents

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WO2007013608A1
WO2007013608A1 PCT/JP2006/315018 JP2006315018W WO2007013608A1 WO 2007013608 A1 WO2007013608 A1 WO 2007013608A1 JP 2006315018 W JP2006315018 W JP 2006315018W WO 2007013608 A1 WO2007013608 A1 WO 2007013608A1
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laser
laser light
solid
state laser
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PCT/JP2006/315018
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Kiminori Mizuuchi
Kazuhisa Yamamoto
Hiroyuki Furuya
Toshifumi Yokoyama
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar

Definitions

  • the present invention relates to a laser light source and a display device, and more particularly to a microchip laser light source that stably operates at a high output and a display device using the same.
  • a microchip laser using a solid-state laser enables a light source to be miniaturized.
  • a microchip laser is a semiconductor laser-excited solid-state laser whose cavity length is shortened to a few millimeters.
  • output stability can be achieved.
  • there is one that generates green light by combining a microchip laser and a wavelength conversion element Non-patent Document 2.
  • Patent Document 1 there is one that generates high-output green light by combining a semiconductor laser array, a solid-state laser, and a nonlinear crystal for high output.
  • Patent Document 2 also shows a method of achieving high output with a configuration in which solid-state lasers are arranged in a two-dimensional array.
  • Patent Document 1 JP-A-2004-111542
  • Patent Document 2 JP-A-9-246648
  • Non-patent document 1 Journal of Optical Society of America B Vol. 11, p436-445, 1994
  • Non-patent document 2 Optics Communications 105 (1994) pl83-87
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and further performs laser oscillation in a stable transverse mode.
  • An object is to provide a high-power laser light source.
  • an object of the present invention is to realize a laser light source excellent in a stable transverse mode and high output characteristics as a laser light source for a laser display.
  • a laser light source includes a plurality of semiconductor lasers, a solid-state laser medium, a wavelength conversion element, and a first laser diode formed on one surface of the solid-state laser medium. 1 and a second reflection layer formed on one surface of the wavelength conversion element, and the solid-state laser medium and the wavelength conversion element between the first and second reflection layers And the first reflection layer and the second reflection layer constitute a laser resonator whose reflection end faces are substantially parallel, and the plurality of excitation portions of the solid-state laser medium are formed by the plurality of semiconductor lasers. Excited, and the plurality of excitation parts are separated from each other by 300 zm or more.
  • the laser light source according to the present invention includes three or more semiconductor lasers, a solid-state laser medium, a wavelength conversion element, a first reflection layer formed on one surface of the solid-state laser medium, A second reflection layer formed on one surface of the wavelength conversion element, wherein the solid-state laser medium and the wavelength conversion element are disposed between the first and second reflection layers,
  • the first reflective layer and the second reflective layer constitute a laser resonator whose reflection end faces are substantially parallel, and the three or more semiconductor lasers excite three or more excitation parts of the solid-state laser medium.
  • the above excitation units are arranged so as not to be located on the same straight line.
  • a laser light source includes a plurality of semiconductor lasers, a solid-state laser medium, a wavelength conversion element, a first reflective layer formed on one surface of the solid-state laser medium, A second reflective layer formed on one surface of the wavelength conversion element, wherein the solid-state laser medium and the wavelength conversion element are disposed between the first and second reflection layers, First anti The projecting layer and the second reflecting layer constitute a laser resonator in which both reflection end faces are substantially parallel, and the plurality of excitation portions of the solid-state laser medium are excited by the plurality of semiconductor lasers, and the plurality of excitation portions are mutually connected. They are separated by a heat separation mechanism.
  • the wavelength conversion element is made of a plurality of nonlinear optical crystals.
  • each nonlinear optical crystal slightly different in composition, a plurality of laser beams having different wavelengths can be generated, and speckle noise can be reduced.
  • the wavelength conversion element is made of one nonlinear optical crystal. In this case, the configuration of the wavelength conversion element can be simplified.
  • the solid-state laser medium is composed of a plurality of solid-state laser crystals.
  • each solid-state laser crystal slightly different in composition and the like, a plurality of laser beams having different wavelengths can be generated, and speckle noise can be reduced.
  • the plurality of solid-state laser crystals have different compositions or materials from the laser light source.
  • the laser light source it is preferable that there are three or more excitation units, and the intervals between adjacent excitation units are different from each other.
  • the temperature at each excitation part can be different.
  • laser beams having different wavelengths are generated in the excitation sections having different temperatures, and speckle noise can be reduced.
  • the laser light source further includes a heat sink, a step is formed on the surface of the heat sink, and the at least some of the semiconductor lasers are positioned at different heights depending on the step on the heat sink.
  • the distance between adjacent pumping portions in the solid-state laser medium can be increased without changing the size of the solid-state laser medium.
  • the semiconductor laser and the solid-state laser medium each include a heat sink.
  • a solid-state laser or semiconductor Since the heat generated by the body laser can be dissipated sufficiently to the outside, the laser light source can be miniaturized.
  • the semiconductor laser and the solid-state laser medium are separated from each other with respect to the laser light source. In this case, the influence of heat between the semiconductor laser and the solid-state laser medium can be reduced, and the heat dissipation effect can be further enhanced.
  • the laser resonator includes a heat sink portion arranged between a plurality of excitation portions in the solid-state laser medium. In this case, the influence of heat between the excitation parts in the solid-state laser medium can be reduced, and the heat dissipation effect of the excitation part can be further enhanced.
  • the laser resonator includes a thermal separation layer disposed between the solid-state laser medium and the wavelength conversion element. In this case, the influence of heat between the solid laser medium and the wavelength conversion element can be reduced, and the heat dissipation effect can be further enhanced.
  • the solid-state laser medium is made of a ceramic material, and at least one of the plurality of excitation parts in the solid-state laser medium has at least one of the material and the composition as another excitation part.
  • the at least one excitation unit preferably generates laser light having a wavelength different from that of the other excitation units. In this case, laser light having different wavelengths is generated in the excitation portions having different compositions and the like, and speckle noise can be reduced.
  • the plurality of excitation units of the solid-state laser medium have different temperatures in the oscillation state, and the oscillation wavelengths or oscillation spectra differ from each other due to the temperature difference. It is preferable to oscillate a laser beam having In this case, laser light having different wavelengths is generated in the excitation portions having different temperatures, and speckle noise can be reduced.
  • the laser light source further includes an optical feedback element, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser is fixed by the optical feedback element.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser is fixed by the optical feedback element.
  • the optical feedback element is preferably a volume grating or a wavelength selective filter.
  • the laser light source may further include a fiber array, and light from the plurality of semiconductor lasers may be introduced into the solid-state laser medium via the fiber array to excite the solid-state laser medium.
  • the degree of freedom of arrangement of the pumping semiconductor laser can be increased.
  • At least one of the solid-state laser medium and the wavelength conversion element has an end face that is inclined with respect to an optical axis of excitation light from the excitation light source. In this case, it is possible to improve the output stability by improving the polarization separation characteristics.
  • the angle formed by the inclined end surface of at least one of the solid-state laser medium or the wavelength conversion element and the optical axis of the excitation light is a Brewster angle with respect to the oscillation wavelength of the solid-state laser medium. It is preferable that In this case, the stability of output can be improved by improving the polarization separation characteristics.
  • the wavelength conversion element is a nonlinear optical crystal
  • the nonlinear optical crystal has any one of Mg, Zn, In, and Sc having a periodic domain-inverted structure. It is preferable that the non-linear optical crystal has a thickness power of lmm or less.
  • the resonator length can be shortened and stable laser oscillation can be performed.
  • the period of the domain-inverted structure formed in the nonlinear optical crystal has a distribution in the nonlinear optical crystal. In this case, it is possible to prevent the phase matching condition from being partially different due to the temperature distribution in the wavelength conversion element due to the period distribution of the polarization inversion structure.
  • the solid-state laser medium is a solid-state laser crystal, and any facing side surfaces of the solid-state laser crystal are non-parallel. In this case, abnormal laser oscillation between both side surfaces of the solid-state laser medium can be suppressed.
  • the solid-state laser medium is a solid-state laser crystal
  • a groove is formed on the end surface of the solid-state laser crystal so as to be positioned between the adjacent excitation portions. In this case, it is possible to suppress abnormal laser oscillation in the arrangement direction of the excitation portions in the solid-state laser medium.
  • a groove formed on an end surface of the solid-state laser crystal and a side surface of the solid-state laser crystal parallel to the optical axis of the excitation light are non-parallel. In this case, abnormal laser oscillation between both side surfaces of the solid-state laser medium can be further suppressed.
  • the semiconductor laser is tilted so that light from the semiconductor laser is obliquely incident on an end face of the solid-state laser crystal.
  • the light reflected by the light incident end face of the solid-state laser medium can be prevented from returning to the active layer of the semiconductor laser, and the output of the semiconductor laser can be stabilized and the life can be extended.
  • a laser light source includes an excitation light source, a solid-state laser medium, and a wavelength conversion element, and the solid-state laser medium generates a plurality of laser beams by being excited by the excitation light source.
  • the wavelength conversion element includes a plurality of wavelength conversion units, and the plurality of laser beams are converted into short wavelength light by different wavelength conversion units of the wavelength conversion elements, and the wavelength conversion units are equal to or greater than 100 / im each other. It is characterized by being separated.
  • the solid-state laser medium is preferably a fiber laser.
  • the degree of freedom of arrangement of the excitation light source is increased, and the excitation light source can be arranged sufficiently separated from the solid laser medium.
  • the laser light from the fiber laser is divided into a plurality of laser beams.
  • a plurality of excitation units can be generated in the solid laser medium by one excitation light source.
  • the solid-state laser medium preferably has a plurality of fiber laser forces.
  • fiber lasers with different characteristics, it is possible to easily change the oscillation wavelength or wavelength spectrum of the laser light generated at each pump unit. it can.
  • the laser light source it is preferable that at least one of the laser beams from the plurality of fiber lasers has a different oscillation wavelength or a different wavelength spectrum. In this case, speckle noise can be reduced.
  • the wavelength conversion element is made of a nonlinear optical crystal having a periodic domain-inverted structure.
  • the wavelength conversion element is made of a nonlinear optical crystal having a periodic domain-inverted structure.
  • the wavelength conversion element is composed of a plurality of nonlinear optical crystals.
  • each nonlinear optical crystal slightly different in composition, a plurality of laser beams having different wavelengths can be generated, and speckle noise can be reduced.
  • the wavelength conversion element is made of one nonlinear optical crystal. In this case, the configuration of the wavelength conversion element can be simplified.
  • the wavelength conversion element is a nonlinear optical crystal, and any one of Mg, Zn, In, and Sc having a periodic domain-inverted structure is used. It is preferable that the non-linear optical crystal has a thickness force Slmm or less.
  • the resonator length can be shortened and stable laser oscillation can be performed.
  • the period of the domain-inverted structure formed in the nonlinear optical crystal has a distribution in the nonlinear optical crystal. In this case, it is possible to prevent the phase matching condition from being partially different due to the temperature distribution in the wavelength conversion element due to the period distribution of the polarization inversion structure.
  • a display device includes the laser light source, a collimating optical system, a leveling optical system, and a two-dimensional image conversion device, and a plurality of laser beams from the laser light source. Is characterized in that the in-plane intensity distribution is made uniform by the homogenizing optical system and converted into an image by the two-dimensional image conversion device.
  • the homogenizing optical system includes a rod prism. It is preferable that
  • the display device further includes an optical element, and the optical element modulates at least one of the deflection, phase, and polarization of the laser light incident on the rod prism.
  • speckle noise can be reduced by modulating the deflection of the laser beam.
  • the laser light source of the present invention by exciting a solid-state laser with a plurality of semiconductor lasers, it is possible to disperse a plurality of excitation units in the solid-state laser, and furthermore, a plurality of excitation units are mutually predetermined. By arranging them so that they are separated from each other by a distance or not so as to be located on a straight line, the influence of the thermal lens effect generated by the solid-state laser can be controlled, and a stable, high-power multi-beam can be realized.
  • the plurality of excitation units in the solid-state laser are separated from each other by the thermal separation mechanism, and the interaction of the laser oscillation at the plurality of excitation units is suppressed.
  • a stable beam output at each excitation unit can be maintained, and a more stable light source can be realized.
  • the wavelength of the laser light is converted by the plurality of wavelength conversion units, and the plurality of wavelength conversion units are separated from each other by a predetermined distance, so that the high-output short Wavelength light can be generated.
  • a resonator structure that stabilizes by suppressing the longitudinal mode to a smaller degree can be realized by optimally designing the solid-state laser resonator structure for output stabilization.
  • the laser light source of the present invention for a display device, it is possible to reduce speckle noise at the same time as stabilizing the output, and an effect of realizing a high-quality display can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a laser light source according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. FIG. 2B is a top view of the display device
  • FIG. 2B is a configuration diagram of a display device using the laser light source.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a laser light source according to Embodiment 2 of the present invention, in which FIG. (A) is a front view thereof, FIG. (B) is a side view thereof, and FIG. It is a figure explaining the temperature distribution of the solid state laser in a laser light source.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the second embodiment, a characteristic factor diagram (FIG. (A)) showing the relationship between the resonator length and the output fluctuation of the laser output, and various nonlinear materials.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining another example of a laser light source according to Embodiment 2 of the present invention, in which FIG. (A) is a top view, and FIG. (B) and FIG. (C) are side views. is there.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a laser light source according to Embodiment 3 of the present invention, in which FIG. (A) is a surface view thereof, and FIG. (B) is a side view thereof.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining another example of a laser light source according to Embodiment 3 of the present invention, in which FIG. (A) is a surface view thereof, and FIG.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining another example of the laser light source according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 (a) is a front view thereof, and FIG.
  • FIG. 8 is a surface view showing a laser light source according to Embodiment 6 of the present invention
  • FIG. 8 (a) is a surface view thereof
  • FIG. 8 (b) is a side view thereof.
  • FIG. 10 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 10 of the present invention, in which FIG. (A) is a front view thereof, and FIG. (B) is a side view thereof.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a laser light source according to Embodiment 11 of the present invention, in which FIG. (A) is a surface view thereof, and FIG. (B) is a side view thereof.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining another example of the laser light source according to Embodiment 11 of the present invention.
  • FIG. 11 (a) is a front view thereof
  • FIG. 11 (b) is a side view thereof.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining an example of a laser crystal (FIGS. (A), 0 (b) and (c)) in the laser light source according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 5 of the present invention, in which FIG. (A) is a surface view thereof, and FIG. (B) is a side view thereof.
  • FIG. 14 is a diagram showing one configuration example (FIG. (A)) and another configuration example (FIG. (B)) of the laser crystal of the laser light source according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a laser light source according to Embodiment 4 of the present invention, in which FIG. (A) is a surface view thereof, and FIG. (B) is a side view thereof.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a laser light source according to a twelfth embodiment of the present invention, in which FIG. (A) is an overall view and FIG. (B) is a partially enlarged view thereof.
  • FIG. 17 is a partially enlarged view for explaining another example of a laser light source according to Embodiment 12 of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a laser light source according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 (a) is a front view thereof
  • FIG. 18 (b) is a side view thereof.
  • FIG. 19 is a diagram for explaining a laser light source according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 (a) is a front view thereof
  • FIG. 19 (b) is a side view thereof.
  • FIG. 20 is a view for explaining a laser light source according to the ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 (a) is a front view thereof
  • FIG. 20 (b) is a side view thereof.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining another example of the laser light source according to the tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 (a) is a front view thereof, and FIG.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining another example of the laser light source according to the tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 (a) is a front view thereof
  • FIG. 22 (b) is a side view thereof.
  • FIG. 23 is a block diagram illustrating a display device according to Embodiment 13 of the present invention.
  • the core of the core is the core of the core
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a laser light source according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1 (a) is a top view thereof
  • FIG. 1 (b) is a diagram of a display device using the laser light source.
  • FIG. The laser light source 103a according to the first embodiment includes a plurality of semiconductor laser chips (hereinafter also referred to as semiconductor lasers) 2, a solid-state laser 4, and a nonlinear material 3 as a wavelength conversion element, and the solid-state laser
  • the laser 4 generates a plurality of laser beams by being excited by the semiconductor laser, the nonlinear material includes a plurality of wavelength conversion units, and the plurality of laser beams are short-circuited by different wavelength conversion units of the nonlinear material. Converted into wavelength light, the wavelength converters are separated from each other by 100 zm or more.
  • a plurality of semiconductor lasers 2 are fixed on the heat sink 1 with solder.
  • the plurality of semiconductor lasers 2 are arranged at regular intervals and each has an oscillation wavelength of about 808 nm.
  • each semiconductor laser 2 excites the solid-state laser 4.
  • the plurality of excitation units 8 excited by the light from each semiconductor laser 2 by the solid-state laser 4 are separated from each other by 100 / m or more.
  • the solid-state laser 4 generates light in the vicinity of 1.06 ⁇
  • the nonlinear material 3 arranged on the light emitting side of the solid-state laser 4 converts the light generated by the solid-state laser 4 into laser light having a wavelength of 0.53 ⁇ . Convert to 11.
  • the nonlinear material 3 is a nonlinear optical crystal and constitutes a wavelength conversion element. In this wavelength conversion element, laser light is converted into short wavelength light by different wavelength conversion units, and the wavelength conversion units are separated from each other by 100 ⁇ or more.
  • the solid-state laser 4 and the nonlinear material 3 are sandwiched between the reflective coats 5 and 6 to form a resonator structure, and the solid-state laser excited by the semiconductor laser causes laser oscillation in the resonator.
  • Green light can be generated as laser light 11 having a wavelength of 0.53 ⁇ m by converting the wavelength of the oscillated laser light into a harmonic wave by the nonlinear material 3.
  • FIG. 1 A display using this laser light source is shown in Fig. 1 (b).
  • the light output from the laser light source 103a passes through the optical element 104 and then enters the rod prism 101.
  • the light incident on the rod prism 101 is shaped in a rectangular shape within the rod prism, and then converted into an image by the SLM 102, which is a two-dimensional image conversion switch, and projected by the lens 105.
  • the laser light source of the present invention is effective for the display device because it is excellent in the following two points. [0065] One is a high output and high stability characteristic, and the other is that speckle noise is low.
  • Speckle noise is a phenomenon in which an interference pattern of highly coherent light such as laser light is generated.
  • the optical element is a micro-shaped element having a variable refractive index.
  • the liquid crystal is confined in a structure having a predetermined planar pattern, and the refractive index is temporally changed by applying an alternating current, and passes through the optical element 104. The deflection and phase of light are changed. With this configuration, it is possible to reduce speckle noise of laser light.
  • the speckle noise reduction here is a method of changing the interference pattern over time, and the human eye recognizes it as a smooth image by averaging multiple patterns by changing the interference patterns at high speed. It is a method to let you.
  • the laser light source of the present invention is effective.
  • This laser light source has a multi-beam structure, and a plurality of beams, that is, output laser beams are separated from each other by a predetermined distance, so that the laser beams are incident on the rod prism 101 at different angles.
  • the interference pattern of light on the screen becomes complicated, and speckles are multiplexed to improve the suppression effect.
  • a method of emitting a plurality of laser beams at different frequencies is also effective in changing the interference pattern.
  • the frequency in this case needs to be sufficiently faster than the image switching frequency, and can be achieved by modulating the laser light from the semiconductor laser 2 for excitation.
  • the two reflection coats 5 and 6 of the solid-state laser are designed such that one reflection coat 6 totally reflects green light and the other reflection coat 5 transmits green light.
  • the laser light 11 is the sum of the light directly emitted from the nonlinear optical crystal 3 and the light once reflected by the reflective coat 6.
  • each laser beam is composed of two beam forces, and by shaping the intensity distribution in the rod prism, a more complex interference pattern is formed, and speckle noise can be effectively reduced.
  • the distance of the wavelength conversion section in the wavelength conversion element is important for high output.
  • Highly efficient wavelength conversion with periodic polarization inversion structure Mg ⁇ doped LiNb03, LiTa03, KTP or these stoichiometric material systems enable highly efficient wavelength conversion due to high nonlinearity is there.
  • a phenomenon has been found in which the output becomes unstable when visible light is generated by the second harmonic generation with a force output exceeding 1W.
  • the cause is that the absorption of visible light increases when ultraviolet light with a wavelength of 400 nm or less is generated by the generation of visible light and the third harmonic generated by the fundamental wave.
  • heat is generated by absorption of the generated visible harmonics, and the output becomes unstable as the conversion efficiency changes temporally and partially.
  • the wavelength conversion element is separated into multiple conversion parts, the visible light generation output at the conversion part is limited, and the distance between adjacent wavelength conversion parts is maintained, thereby generating the conversion part. It is important to suppress the heat generated.
  • the generation of visible light in the conversion portion needs to be suppressed to several W or less.
  • Including reliability It was found that the instability of the output and the aging of the conversion efficiency can be suppressed by suppressing it to about ⁇ 2W or less.
  • thermal effects it was experimentally found that it is preferable to keep the distance between the wavelength conversion portions at 100 ⁇ or more.
  • MgO: LiNb03 crystal was used and green light with a wavelength of around 530nm was generated by two wavelength converters, when the distance between the converters was 50 ⁇ or less, the stable maximum output was total. Only 2W or less was obtained. This is thought to be due to the unstable output caused by the heat generated in the converter.
  • the distance between the converters is preferably 100 x m or more.
  • the fundamental wave is wavelength-converted using a plurality of crystals, it is effective because there is no mutual thermal influence. In this case, it is only necessary to suppress the intensity of visible light generation in one crystal to several W or less.
  • a display device using the laser light source of the present invention comprising a plurality of laser beams can realize high reliability.
  • multiple semiconductor lasers and solid-state laser parts for pumping for example, when some lasers deteriorate, other lasers emit them. Can supplement the power. Therefore, it is effective for extending the life of the display and improving the reliability.
  • the overall life of the laser light source is improved by providing a margin for the maximum value that can be output with one light source.
  • the brightness can be secured by increasing the output of the other laser. It is also possible to provide a spare laser to make up for the overall output if some lasers are degraded.
  • the reliability of the light source for display can be greatly improved by adopting the multi-beam structure.
  • the laser light source 103a is formed on one surface of the plurality of semiconductor lasers 2, the solid-state laser 4 , the nonlinear material 3 constituting the wavelength conversion element, and the solid-state laser.
  • the reflective coating 5 and the reflective coating 6 formed on one surface of the nonlinear material 3, and the plurality of laser beams are converted into short wavelength light by different wavelength conversion units of the wavelength conversion element.
  • the wavelength conversion units are separated from each other by 100 ⁇ or more, it is possible to reduce the thermal influence between adjacent wavelength conversion units and perform wavelength conversion stably.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a laser light source according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 2 (a) is a front view thereof
  • FIG. 2 (b) is a side view thereof
  • FIG. ) Is a diagram for explaining the temperature distribution of a solid-state laser.
  • reference numeral 103b denotes a laser light source according to the second embodiment.
  • This laser light source 103b includes a plurality of semiconductor lasers 2, a solid-state laser 4, a nonlinear material 3 constituting a wavelength conversion element, and A reflective coat 5 formed on one surface of the solid-state laser, and a reflective coat 6 formed on one surface of the nonlinear material 3, the solid-state laser and the A wavelength conversion element, and the two reflection coats are arranged substantially in parallel to constitute a laser resonator, and the plurality of semiconductor lasers excite a plurality of excitation units 8 of the solid-state laser, thereby Parts 8 are separated from each other by more than 300 xm.
  • the semiconductor laser 2 is fixed on the heat sink 1.
  • the solid-state laser 4 and the nonlinear optical material 3 are joined, and the light emitting surface of the nonlinear material 3 is provided with a reflective coat 5, and the light incident surface of the solid-state laser 4 is provided with a reflective coat 6 to constitute a laser resonator. I'm going.
  • Laser light (wavelength 808 nm) output from the semiconductor laser 2 excites the solid-state laser 4 and Body laser 4 emits light near 1.06 zm.
  • This 1.06 zm light is wavelength-converted by the nonlinear optical material 3 in the laser resonator, and is emitted to the outside as green laser light 11 having a wavelength of 0.53 xm.
  • the solid-state laser and the nonlinear optical material are composed of one material, and the structure is simplified. In addition, higher output can be handled by increasing the number of beam spots output from the laser resonator.
  • the longitudinal mode is a large amount of oscillation spectrum in the laser resonator, and becomes unstable when the oscillation spectrum increases as it becomes multimode.
  • Microchip lasers can stabilize the output by suppressing the oscillation mode by shortening the cavity length.
  • the multimode generation can be suppressed by making the optical length of the laser resonator 4 mm or less.
  • Fig. 3 (a) shows the result of an experiment on the output stability by changing the resonator length.When the refractive index of the laser medium is about 2, the optical length becomes 4 mm or more when the resonator length is 2 mm or more. The fluctuation has increased.
  • a laser resonator requires a solid-state laser and a nonlinear optical crystal, and the length of the combined resonator needs to be 2 mm or less.
  • the length of a wavelength conversion element made of a non-linear crystal is proportional to the conversion efficiency, the conversion efficiency decreases when the element is shortened.
  • Figure 3 (b) shows the relationship between the conversion efficiency of a highly efficient nonlinear material and the element length (crystal length). In order to obtain the maximum conversion efficiency when the output of the pumped solid-state laser is about 1 W, a crystal length of about the value that gives the maximum conversion efficiency shown in Fig. 3 (b) is required.
  • the crystal length at this time was 4 mm with KTP, and LiTaO (P
  • PLT is 0.8 mm
  • KTP PPKTP
  • LiNbO PPLN
  • PPLN has very high conversion efficiency, so the resonator length can be shortened, High efficiency characteristics were the best.
  • PPLN has a problem of light damage, and it is difficult to stably obtain high output green light.
  • the use of Mg-doped LiNbO eliminated the problem of optical damage, and a cavity length of lmm or less was achieved even when combined with a solid-state laser crystal. As a result, the stability of the output was greatly increased, and a stable operation was obtained even with external temperature changes.
  • the configuration of the laser light source of the present invention has a resonator structure in which laser oscillation is performed between the flat reflective coats, the loss of the resonator is greatly influenced by the resonator length. By reducing the resonator length to 2 mm or less, the loss of the resonator has also been reduced and higher efficiency has become possible.
  • the nonlinear material is formed using a crystal having a periodic domain-inverted structure.
  • the phase matching wavelength of the nonlinear optical crystal is determined by the polarization inversion period.
  • the temperature of the solid laser portion increases. This temperature rise occurs at each excitation part, but a temperature distribution occurs between each excitation part. Specifically, the temperature of the excitation part near the center of the nonlinear optical crystal is higher than that at the end part. Since this temperature is also transmitted to the nonlinear optical crystal, the phase matching conditions of the nonlinear optical crystal are partially different, and the overall conversion efficiency is lowered.
  • the polarization inversion period with a partial distribution in the nonlinear optical crystal. Since the temperature of the central portion of the nonlinear optical crystal is higher, it is preferable to design the distribution inversion period shorter than that of the peripheral portion.
  • the stability of the transverse mode is important for the output stability.
  • the intervals between the excitation portions are set so that the laser oscillations of the solid lasers do not interfere with each other independently. Since a microchip laser uses a resonator that oscillates between flat reflective coats, the resonator is stabilized and the loss is reduced by utilizing the thermal lens effect of the excited solid laser part. ing. For this reason, oscillation becomes unstable when the excitation parts of the solid-state laser interfere with each other both optically and thermally. When the excitation part interferes, the beam spot of the light in the resonator expands, so that the conversion efficiency in the nonlinear optical crystal decreases. For this reason, it is necessary to sufficiently suppress lateral interference in the resonator.
  • FIG. 2 (c) shows the temperature distribution in the lateral direction of the solid-state laser. As shown in the figure In each excitation part, the temperature rises around the excitation spot. By separating the temperature distribution in the lateral direction, it is possible to stabilize the generation of the thermal lens at the excitation part.
  • the width of the active layer of the pumped semiconductor laser was about 50 xm, stable oscillation was confirmed when the spacing between the pumped parts exceeded 200 ⁇ m.
  • the active layer width is 100 am, an interval of 250 ⁇ m or more is required.
  • the active layer width of the semiconductor laser is preferably 100 ⁇ m or less, more preferably 50 zm or less.
  • the width of the active layer determines the size of the excitation part of the solid-state laser and the size of the transverse mode oscillated by the solid-state laser.
  • the width of the active layer is preferably 50 ⁇ .
  • a substrate of Nd: YV ⁇ is used as the laser medium,
  • the temperature distribution of the excitation spot is a mountain distribution with a full width at half maximum of about 300 / im.
  • a laser light source having the configuration according to the second embodiment was produced. Three semiconductor lasers with a 1 W output were used, the active layer width was 50 x m, and the distance between the semiconductor lasers was 200 ⁇ m.
  • the solid-state laser is Nd: Y ⁇ , and the crystal length is 0.
  • non-linear crystal is Mg-doped LiNbO with periodic domain-inverted structure.
  • PPMgLN Even when used as a crystal, the optical damage resistance has been improved and higher output power has become possible.
  • a further feature of PPM gLN is the absence of the gray track phenomenon that occurs in KTP.
  • KTP When a visible light with a high output of lOOmW or more is generated for a long time, a color center is generated in the crystal, resulting in a gray track phenomenon in which the characteristics deteriorate. For this reason, it is difficult to realize a highly reliable light source.
  • PPMgLN can achieve a highly reliable light source because it can achieve high reliability without generating a color center even at an output of about 1W.
  • Nd YV 0 and Nd: GdVO are desirable as solid-state lasers. Since the doping amount of Nd can be increased, the absorption coefficient can be increased and the configuration of the microchip laser can be facilitated.
  • the preferred point of Nd: YVO, Nd: GdVO is that the laser beam oscillates with a single polarized light because the excitation efficiency of the solid-state laser is anisotropic with respect to the crystal axis.
  • wavelength conversion in a nonlinear optical material has polarization dependence
  • the conversion efficiency of oscillation with a single polarization is greatly improved.
  • crystals with a periodically poled structure have a birefringent optical axis that is aligned with a phase-matching optical axis. Efficiency can be improved and polarization can be stabilized.
  • Nd: YVO and Nd: GdVO have an extraordinary refractive index of 2.165 and 2.15.
  • the refractive index of Mg-doped LiNbO is almost equal to 2.15. For this reason, the refractive index difference when optical contact or direct bonding is very small and Fresnel loss is greatly reduced, so that intra-resonator loss is reduced and high efficiency can be achieved.
  • Nd: GdV0 is more preferable than Nd: YV0. Since the thermal expansion coefficient of Nd: GdVO crystal is closer to that of Mg-doped LiNbO, when a nonlinear optical crystal and a solid-state laser crystal are bonded, the distortion generated at the junction due to the temperature change of the crystal is reduced. For this reason, there is an advantage that the joining process becomes easy and stable joining can be realized even with respect to an external temperature change.
  • a ceramic laser using ceramic instead of the laser crystal can be applied.
  • ceramic lasers are manufactured by sintering laser crystallites, which makes it easy to mix different crystals and to partially distribute the mixing ratio.
  • FIGS. 14 (a) and 14 (b) are diagrams showing a configuration example of the laser crystal of the laser light source according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 14 (a) shows a cross-sectional structure of an example of a laser crystal.
  • the laser crystal (solid laser) 4a is excited by a plurality of excitation portions 141 to 143, and the excitation portions 141, 142, and 143 are made of different laser crystal compositions or materials.
  • the excitation unit 141 is made of Nd: YV04
  • the excitation unit 142 is made of Nd: GdV04
  • the excitation unit 143 is made of Nd: YLF.
  • the laser can oscillate at different wavelengths in the excitation units 141, 142, and 143. If a laser oscillated by such an excitation unit is converted by a wavelength conversion element whose phase matching condition is adjusted to each wavelength, a visible laser beam source that simultaneously generates different oscillation wavelengths can be realized. By using this laser light source for display applications, speckle noise is greatly reduced and a high-quality display can be realized.
  • the oscillation wavelength can be changed by the material or composition of the laser medium of the excitation unit and the mixing of the laser mediums.
  • the oscillation spectrum can be expanded. The spectrum noise suppression effect is further increased by broadening the oscillation wavelength and generating different wavelengths for each excitation section.
  • Amorphous materials can be easily mixed with different crystals, and the distribution of oscillation wavelength and oscillation characteristics can be easily formed. It is also useful because of its low cost. Furthermore, by using the YAG material with high thermal conductivity for the parts other than the excitation part in the laser crystal and using only the excitation part as a different material, the heat dissipation characteristics increase and stable output characteristics can be obtained even at high output.
  • FIG. 14B shows a cross-sectional structure of another example of the laser crystal.
  • the solid-state laser may be configured to use different laser crystals.
  • the solid state laser 4b has different laser crystals 144, 145, and 146, and the respective excitation light 41, 142, and 143 are in different laser crystals 144, 145, and 146, respectively.
  • each pump unit can perform different laser oscillations and suppress speckle noise.
  • the oscillation wavelength at the excitation part can be changed by the material or composition of the laser medium constituting the excitation part and the mixed crystal of the laser medium.
  • a plurality of semiconductor lasers 2, a solid-state laser 4, a nonlinear material 3 constituting a wavelength conversion element, and one surface of the solid-state laser 4 are formed.
  • the two reflection coats are arranged substantially in parallel to form a laser resonator, and the plurality of pumping portions 8 of the solid-state laser 4 are excited by the plurality of semiconductor lasers 2, and the plurality of pumping portions 8 Since they are separated from each other by more than 300 ⁇ m, it is possible to reduce the thermal effect between the P-contact excitation parts and perform laser oscillation in a stable transverse mode.
  • FIG. 4 (a) is a top view showing another example of the laser light source according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 4 (b) is a side view thereof
  • FIG. 4 (c) is a side view thereof.
  • FIG. 4 (a) is a top view showing another example of the laser light source according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 4 (b) is a side view thereof
  • FIG. 4 (c) is a side view thereof.
  • the heat sink lc is stepped, and the semiconductor lasers 2 are mounted in steps.
  • the thermal effect between the semiconductor lasers is reduced, and the oscillation of each semiconductor laser is stabilized.
  • the life of the semiconductor laser is extended due to the cooling effect.
  • solid lasers by arranging solid lasers in three dimensions, it is possible to increase the light emitting point distance of the solid laser with the same size, which is effective for miniaturization.
  • FIG. 12 (c) is a diagram showing an example of a laser crystal of the laser light source according to Embodiment 2 of the present invention, and in this configuration, a solid-state laser is excited by a plurality of excitation units. A configuration for setting the temperature of the excitation part to be different will be described.
  • the distance between adjacent excitation parts is set so that the temperature of each excitation part is different.
  • the distance L1 between the excitation unit 142 located in the center of the solid-state laser 4f and the excitation unit 141 located on one side thereof is equal to the excitation unit 142 located in the center of the solid-state laser 4f and the excitation located on the other side.
  • the distance L2 from the part 143 is different.
  • the excitation part is represented by an excitation spot, but when the distance between the excitation parts is different from each other, the temperature of the excitation part is different.
  • Each excitation unit may have a different distance from the side surface of the solid-state laser 4.
  • the vector shape is also different.
  • the difference in wavelength is a force less than lnm.
  • the wavelength converted harmonic light is also generated at different wavelengths or spectra.
  • FIGS. 12 (a) and 12 (b) are diagrams showing other examples of the laser crystal of the laser light source according to Embodiment 2 of the present invention. This is a configuration that suppresses the abnormal laser oscillation.
  • 4d is a solid-state laser
  • 121 and 122 are side surfaces of the laser crystal as the solid-state laser 4d
  • 123 and 124 are top and bottom surfaces of the laser crystal as the solid-state laser 4d
  • 125 Is the excitation part of the solid state laser.
  • the solid-state laser 4d as the laser medium is excited by a semiconductor laser
  • the laser oscillation in the cavity length direction is excited in the excitation section, so that the laser light resonates between the reflecting mirrors that constitute the resonator.
  • the excitation light becomes strong, abnormal laser oscillation (in-plane resonance of the laser crystal) 126 occurs between both side surfaces 121 and 122 of the laser crystal 4d.
  • the laser oscillation occurs, loss occurs, and the laser oscillation efficiency is greatly reduced.
  • the solid-state laser crystal is excited at multiple points, the laser oscillation 126 is easily induced in a direction perpendicular to the cavity length direction.
  • the side surface 121 and the side surface 122 of the laser crystal are designed so that they are non-parallel. By making these non-parallel, abnormal laser oscillation was suppressed and stable oscillation became possible. It is also effective to reduce the reflectance of the side surface by making it sandy.
  • the solid-state laser 4e having the configuration shown in Fig. 12 (b) is also effective.
  • the excitation units 125 are alternately set in steps.
  • abnormal laser oscillation 126 due to the interaction between the excitation parts can be prevented.
  • a groove 127 is also formed between the excitation parts. The effect becomes stronger by making the grooves non-parallel to the side surfaces 121 and 122. Abnormal laser oscillation in the surface can be prevented by separating the excitation part by the groove, and stable high efficiency can be obtained.
  • Grooves in the solid laser crystal are also effective in reducing the difference in thermal expansion when the nonlinear optical crystal and the laser crystal are bonded together.
  • FIG. 5 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 5 (a) is a front view thereof
  • FIG. 5 (b) is a side view thereof.
  • reference numeral 103g denotes a laser light source according to the third embodiment.
  • the 103g includes a heat sink 7 for cooling the solid-state laser 4 and the wavelength conversion element 3 in the laser light source 103b of the second embodiment shown in FIG. 2, where the heat sink 7 constitutes a resonator section.
  • the solid-state laser 4 and the wavelength conversion element 3 are attached above and below the solid laser 4 and the wavelength conversion element 3.
  • Other configurations are the same as those of the second embodiment.
  • heat sinks 7 are arranged above and below the solid-state laser 4 to stabilize the output.
  • the solid-state laser 4 absorbs the light from the pumped semiconductor laser 2 and converts it into 1.06 ⁇ , but the conversion efficiency is about 50%, and half of the pumped light is converted into heat. It is necessary to stabilize the laser oscillation in the solid-state laser by the thermal lens effect due to this heat and suppress the influence of the adjacent excitation part.
  • a heat sink 7 is provided in the solid-state laser portion. Since the heat generated by the solid-state laser can be dissipated sufficiently by the heat sink 7, the overall size can be reduced.
  • the heat sink 7 is arranged above and below the solid-state laser 4
  • the arrangement of the heat sink 7 is not limited to this.
  • the heat sink 7a is provided on both side surfaces of the solid-state laser, and the heat sink 7b is provided between the excitation portions of the solid-state laser, thereby providing a higher cooling capacity. Realized. This makes it possible to further increase the output.
  • the conduction of heat between the semiconductor laser and the solid-state laser makes the laser oscillation unstable. For this reason, it is preferable to perform thermal separation between the heat sink to which the semiconductor laser is fixed and the solid-state laser. Specifically, it is desirable to fix each other through a material with low thermal conductivity such as a ceramic material.
  • the laser light source is the force S provided with the heat sink 7 in the laser light source of the second embodiment, and the laser light source of the third embodiment is the laser of the first embodiment.
  • a light source provided with a heat sink 7 may be used.
  • a configuration using a fiber array instead of the semiconductor laser as the pump laser in the third embodiment is also effective.
  • FIG. 15 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 4 of the present invention
  • FIG. 15 (a) is a front view thereof
  • FIG. 15 (b) is a side view thereof.
  • the laser light source 103i of the fourth embodiment is different from the laser light source 103a of the first embodiment shown in FIG. 1 in that the solid-state laser 4 is directly excited by the semiconductor laser 2 instead of the light source 103i.
  • the pumping light from the semiconductor laser 152 is introduced into the solid-state laser 4 through the fiber 153, and the other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • a pump light source is constituted by three optical fibers 153 and three semiconductor lasers 152 that generate pumping light, and the light from the semiconductor laser 152 is formed by a fiber 153 and has a resonator structure. Leads to laser part 4.
  • Such a configuration using a fiber array as a pump light source is also effective in realizing stable high output characteristics.
  • one end 154 of the plurality of fibers 153 is arranged in an array as shown in FIG. 15B, and the solid-state laser 4 is arranged in one end 154 arranged in an array of three fibers 153. They are placed close together. Also, the other end of each fiber 153 is separated as shown in Fig. 15 (a). positioned.
  • Each of the semiconductor lasers 152 that generate the excitation light is coupled to the other end of the respective fiber 153, and is disposed at a distance so as not to be affected by heat. This makes it possible to use multiple semiconductor lasers of several W without using a cooling device such as water cooling or Peltier.
  • each fiber 153 is arranged in an array so as to be separated so that the interval between the cores 151 is about 200 ⁇ m.
  • the excitation parts of the solid-state laser 4 can be designed to be located at positions away from each other.
  • high-power visible light can be generated.
  • the heat dissipation effect can be improved, and high output with air cooling can be realized.
  • the distance between the solid-state laser and the semiconductor laser can be increased, the heat of the semiconductor laser does not affect the solid-state laser and the heat radiation of the solid-state laser is facilitated. In this configuration, stable high output characteristics can be obtained by securing a distance that can separate the influence of heat between adjacent pumping portions of the solid-state laser and adjacent wavelength converting portions of the wavelength conversion element. .
  • a fiber When a fiber is used, it is possible to feed back a specific wavelength to the semiconductor laser and fix the oscillation wavelength of the solid-state laser by using a fiber grating having a grating structure formed on the fiber.
  • a fiber For the fiber, it is desirable to fix the polarization by using a polarization maintaining fiber.
  • One of the fibers used is a multimode fiber having a core diameter of about 50 to 100 x m. If the core diameter is large, the number of propagating laser light multimodes becomes large and polarization maintenance becomes difficult. Therefore, it is preferable to keep the core diameter to 100 x m or less. For this reason, the coupling loss with the fiber can be reduced by setting the stripe width of the semiconductor laser for excitation to 100 ⁇ m or less.
  • FIG. 13 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 5 of the present invention
  • FIG. 13 (a) is a surface view thereof
  • FIG. 13 (b) is a side view thereof.
  • the laser light source 103j of the fifth embodiment is similar to the laser light source 103g of the third embodiment shown in FIG. 5, except that a narrow-band wavelength filter 133 is disposed on the light emission side of the semiconductor laser 2, and a semiconductor The oscillation wavelength of laser 2 is locked.
  • the microlens array 131 is disposed on one end face side of the narrow-band wavelength filter 133, and the microlens array 132 is disposed on the other end face side.
  • the output from the pumping semiconductor laser 2 is collimated by the microphone aperture lens array 131, passes through the wavelength filter 133, and is then transmitted by the microlens array 132. Condensed on the end face of The wavelength filter 133 has a narrow band characteristic, and the light that has passed through the wavelength filter 133 is reflected by the end face of the solid-state laser and returned to the semiconductor laser 2, so that the wavelength of the semiconductor laser 2 is changed to the transmission wavelength of the wavelength filter 133.
  • the oscillation wavelength can be fixed. As a result, even if the external temperature fluctuates, the laser oscillation occurs without fluctuation of the oscillation wavelength of the semiconductor laser, so that a stable solid-state laser output can be obtained.
  • FIG. 8 is a surface view showing a laser light source according to Embodiment 6 of the present invention
  • FIG. 8 (a) is a surface view thereof
  • FIG. 8 (b) is a side view thereof.
  • 103k is the laser light source of the sixth embodiment, and this laser light source 103k is the same as the laser light source 103b of the second embodiment shown in FIG.
  • the semiconductor laser 2 is disposed so as to be inclined with respect to the light incident end face of the solid-state laser 4, and the other configuration is the same as that of the second embodiment.
  • the laser light source 103k of the present embodiment is called a microchip laser, and the configuration of this microchip laser is a configuration in which the end face of a solid-state laser is directly excited by a semiconductor laser. Effective for cost.
  • the distance between the end face of the solid-state laser 4 and the semiconductor laser 2 is about 50 to 100 ⁇ m, and the laser oscillation transverse mode excited in the solid-state laser is close to the intensity distribution of the pumping light of the semiconductor laser. Excitation efficiency is maximized. As a factor of deterioration of the semiconductor laser, the influence of the laser return light is large.
  • the light reflected by the end face of the solid state laser 4 returns to the active layer of the semiconductor laser.
  • the output of the semiconductor laser becomes unstable and the lifetime is also greatly reduced.
  • the active layer of the semiconductor laser is slightly tilted with respect to the end face of the solid-state laser, the return light is greatly reduced. As a result, the output can be stabilized and the life can be extended. Also solid-state laser Since the beam spot can be reduced in size at the end face, there is an advantage in improving the excitation efficiency.
  • the angle at which the optical axis of the semiconductor laser 2 is inclined with respect to the end surface of the solid-state laser 4 is preferably 0.5 ° or more, and more preferably 3 ° or more.
  • a force indicating that the optical axis of the semiconductor laser 2 is tilted with respect to the end surface of the solid-state laser 4 in the laser light source of the second embodiment may be one in which the optical axis of the semiconductor laser 2 is inclined with respect to the end surface of the solid-state laser 4 in the embodiments other than the above-described second embodiment.
  • FIG. 18A and 18B are diagrams for explaining a laser light source according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 18A is a surface view thereof
  • FIG. 18B is a side view thereof.
  • reference numeral 103 m denotes a laser light source according to the seventh embodiment.
  • This laser light source 103 3 m includes a solid-state laser 4 that performs laser oscillation, and a wavelength conversion element 181 that is disposed close to the solid-state laser 4. And a plurality of semiconductor lasers 2 for exciting the solid-state laser 4 fixed on the heat sink 1.
  • the solid-state laser 4 has a reflection coat 6 formed on the incident-side end face of the excitation light, and heat sinks 71a are attached to both side faces parallel to the optical axis of the excitation light.
  • a plurality of pumping portions pumped by pumping light from the plurality of semiconductor lasers 2 are arranged in a straight line in a direction parallel to the arrangement direction of the semiconductor lasers 2 on the heat sink 1.
  • the excitation parts that contact P are thermally separated by a heat sink 71b.
  • the wavelength conversion element 181 is made of a nonlinear optical crystal, and the reflective coat 5 is formed on the laser light emission side end surface, and the opposite end surface is inclined so as to be inclined with respect to the emission side end surface. It has been done.
  • the wavelength conversion element 181 is arranged such that the X axis of the nonlinear optical crystal, which is the optical axis thereof, is inclined at a predetermined angle ⁇ 1 with respect to the optical axis of the excitation light from the semiconductor laser 2.
  • Heat sinks 72a are attached to both sides, and heat sinks 72b are attached to the upper and lower sides thereof.
  • a laser resonator is formed by the reflection coatings 5 and 6, and the solid-state laser 4 and the wavelength conversion element 181 disposed therebetween.
  • the heat sink on the solid-state laser 4 side and the heat sink on the wavelength conversion element 181 side are separate forces. These heat sinks may be formed integrally.
  • the reflection of the fundamental wave is reduced by polishing one end face of the nonlinear optical crystal constituting the wavelength conversion element 181 so as to form a Brewster angle with respect to the optical axis of the incident light, and at the same time, the polarization separation characteristic is improved. This makes it possible to improve the output stability.
  • the optical axis of the nonlinear optical crystal 181 make the Brewster angle with respect to the optical axis of the incident light, the reflectance of the polarization component parallel to the paper surface becomes almost zero, and the resonator loss is reduced. Therefore, oscillation of other polarized light can be suppressed.
  • PPMgLN having a periodic domain-inverted structure was used as the nonlinear material 181. If the crystal has an acute angle of about 65 degrees and the angle ⁇ 1 between the crystal X axis and the optical axis is set to about 25 degrees, the Brewster condition can be satisfied for the fundamental wave with a wavelength of 1064 nm.
  • green light is emitted in the direction of about 25 degrees as shown in the figure.
  • the angle formed by the optical axis of the nonlinear optical crystal 181 and the optical axis of the incident light is set to the Brewster angle, a non-reflective coating on the end face of the nonlinear optical crystal is not required, so that the cost can be reduced.
  • the conventional KTP requires a crystal length of several millimeters because the nonlinear optical constant is low. Further, when the nonlinear optical crystal 181 is arranged obliquely as shown in FIG. 18, the resonator length becomes long. For this reason, problems such as a decrease in the stability of the resonator and a decrease in the conversion efficiency have occurred.
  • PPMgLN has a large nonlinear constant, so high conversion efficiency can be obtained even if the crystal length is less than 1 mm. Therefore, even if the nonlinear optical crystal 181 is arranged obliquely as shown in FIG. 18, the resonator length can be set to 2 mm or less. As a result, the resonator can be stabilized.
  • FIG. 19 is a view for explaining a laser light source according to the eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 19 (a) is a front view thereof
  • FIG. 19 (b) is a side view thereof.
  • 103 ⁇ is a laser light source according to the eighth embodiment, and this laser light source 103 ⁇ is a solid-state laser 4 that performs laser oscillation and a wavelength that is disposed close to the solid-state laser 4. It has a conversion element 182 and a plurality of semiconductor lasers 2 that are fixed on the heat sink 1 and excite the solid-state laser 4.
  • a narrow-band wavelength filter 133 is arranged between the solid-state laser 4 and the semiconductor laser 2 so as to lock the oscillation wavelength of the semiconductor laser 2.
  • a microlens array 131 is disposed on one end face side of the narrow-band wavelength filter 133, and a microlens array 132 is disposed on the other end face side.
  • the solid-state laser 4 has a reflection coat 6 formed on the incident-side end face of the excitation light.
  • the solid-state laser 4 is excited by the excitation light from the plurality of semiconductor lasers 2.
  • the plurality of pumping sections are aligned in a straight line in a direction parallel to the arrangement direction of the semiconductor lasers 2 on the heat sink 1, and these pumping sections are separated from each other by 300 ⁇ or more as in the second embodiment.
  • the wavelength conversion element 182 is the same as the wavelength conversion element 181 in the seventh embodiment.
  • a heat sink 73 is attached to the upper and lower surfaces of the solid-state laser 4 and the wavelength conversion element 182 so as to straddle them.
  • the eighth embodiment since the plurality of excitation parts excited by the plurality of semiconductor lasers 2 in the solid-state laser 4 are separated from each other by 300 ⁇ m or more, the thermal influence between adjacent excitation parts is reduced. Thus, it is possible to perform laser oscillation in a stable transverse mode.
  • the output stability can be improved by reducing the reflection of the fundamental wave and improving the polarization separation characteristic.
  • the semiconductor laser for excitation 2 A wavelength filter 133 having a narrow band characteristic is arranged on the light emission side of the semiconductor laser so that the oscillation wavelength of the semiconductor laser 2 is locked. Therefore, the semiconductor laser oscillates even if the external temperature changes. Laser oscillation will occur without fluctuation of the wavelength, and a stable solid-state laser output can be obtained.
  • FIG. 20 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 9 of the present invention
  • FIG. 20 (a) is a surface view thereof
  • FIG. 20 (b) is a side view thereof.
  • reference numeral 103p denotes a laser light source according to the ninth embodiment.
  • the laser light source 103p includes a solid-state laser 202 that performs laser oscillation, and a wavelength conversion element 201 that is disposed close to the solid-state laser 202.
  • a pump that excites a solid state laser 202 fixed on the heat sink 1 A number of semiconductor lasers 2.
  • the solid-state laser 202 is processed such that the reflection coat 6 is formed on the incident-side end surface of the excitation light, and the opposite light-emitting end surface is inclined with respect to the incident-side end surface.
  • a plurality of pumping portions pumped by pumping light from the plurality of semiconductor lasers 2 are aligned in a direction parallel to the arrangement direction of the semiconductor lasers 2 on the heat sink 1. These excitation parts are separated from each other by 300 ⁇ m or more as in the second embodiment.
  • the wavelength conversion element 201 is made of a nonlinear optical crystal, and a reflective coat 5 is formed on the laser light emission side end surface, and the light incident side end surface on the opposite side is formed with the inclined end surface of the solid laser 202. Processed to be parallel.
  • Heat sinks 74 are attached to the upper and lower surfaces of the solid-state laser 202 and the wavelength conversion element 182 so as to straddle them.
  • the plurality of excitation parts excited by the plurality of semiconductor lasers 2 in the solid-state laser 202 are separated from each other by 300 / m or more, thereby reducing the thermal effect between adjacent excitation parts.
  • Nd YVO is used as an optical crystal constituting the solid-state laser 202, and a wavelength conversion element is used.
  • PPMgLN was used as the nonlinear optical material 3 constituting Nd: YVO and PPMgLN are 1
  • the refractive index is almost equal to the fundamental wave of 064 nm. Therefore, as shown in FIG. 20, the Brewster angles can be made substantially equal between the solid-state laser 202 and the wavelength conversion element 201. For this reason, the configuration of the resonator portion including the solid-state laser 202 and the wavelength conversion element 201 is simplified, and the resonator can be easily aligned.
  • both the solid-state laser crystal and the nonlinear material do not require an AR (Anti Reflection) coating on the opposite surface, which makes it possible to reduce costs and improve reliability. Furthermore, since the loss due to the reflective coating can be reduced to a negligible level, the laser oscillation efficiency can be increased.
  • the resonator configuration is Mg-doped LiTaO (PPM
  • PPMgLT has a low absorption loss and can achieve high output characteristics.
  • the wavelength filter 133 having narrow band characteristics on the light emitting side is provided on the pumping semiconductor laser 2. Since the oscillation wavelength of the semiconductor laser is fixed, the oscillation wavelength of the semiconductor laser does not fluctuate even if the external temperature changes, and a stable solid-state laser output can be obtained.
  • a volume grating may be used instead of the force filter using a narrow band filter for fixing the wavelength of the semiconductor laser.
  • Volume gratings that use the Bragg reflection of the grating have less transmission loss than narrow band filters, so that a more efficient light source can be realized.
  • FIG. 9 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 10 of the present invention
  • FIG. 9 (a) is a front view thereof
  • FIG. 9 (b) is a side view thereof.
  • the laser light source 103q of the tenth embodiment is the same as the laser light source 103g of the third embodiment shown in FIG. 5 except that the volume grating 10 is disposed on the back side of the semiconductor laser 2 and the oscillation of the semiconductor laser 2 is performed. The wavelength is locked, and other configurations are the same as those in the third embodiment.
  • the problem with semiconductor laser-excited solid-state lasers is that the absorption spectrum of the solid-state laser is narrow, and the output is reduced because the oscillation wavelength of the semiconductor laser is shifted from the absorption spectrum of the solid-state laser due to external temperature changes.
  • the configuration shown in Fig. 9 is proposed.
  • the volume grating 10 is installed on the back surface of the semiconductor laser described in the third embodiment. Since the semiconductor laser is fixed at the Bragg wavelength from the volume dulling 10, the wavelength does not change even if the external temperature changes. As a result, stable solid-state laser excitation was possible, and output fluctuations due to external temperature fluctuations could be greatly suppressed. Further, in this configuration, the configuration shown in FIG.
  • FIG. 21 is a view for explaining another example of the laser light source according to the tenth embodiment of the present invention
  • FIG. 21 (a) is a front view thereof
  • FIG. 21 (b) is a side view thereof. .
  • 103r is a laser light source, and this laser light source 103r is provided with a volume directing 211 in place of the narrow band wavelength filter 133 in the laser light source 103p of the ninth embodiment shown in FIG.
  • a heat sink 213 is disposed on the surface of the reflective coat 6 at a position where the excitation light from the semiconductor laser 2 is not blocked.
  • a heat separation layer 212 is disposed between the solid laser 202 and the wavelength conversion element 201, and a heat sink 75 is provided on the side surfaces of the solid laser 202 and the wavelength conversion element 201 so as to straddle them. It is arranged.
  • the semiconductor laser 2 is a multi-stripe semiconductor laser having a plurality of stripes, and is fixed on the heat sink 1.
  • the volume grating 211 sandwiched between the microlens arrays 131 and 132 returns a specific wavelength to the semiconductor laser among the laser light generated from the semiconductor laser 2.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser 2 is the volume grating 211.
  • the reflection wavelength can be fixed.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be fixed in the vicinity of 808 ⁇ m, which is the absorption wavelength of the solid-state laser, and stable solid-state laser oscillation can be realized.
  • the use of a microlens array makes it possible to reduce the size of the optical system.
  • the solid-state laser 202 and the nonlinear material as the wavelength conversion element 201 are fixed with the heat separation layer 212 interposed therebetween.
  • the heat separation layer 212 an air layer or a YAG crystal diamond with high thermal conductivity can be used.
  • the heat separation layer 212 suppresses the heat generated by the solid-state laser 202 from being transmitted to the nonlinear material 201.
  • the heat sink was also disposed on the surface of the solid laser between the side surface of the solid laser 202 and the excitation unit excited by light from the microlens. As a result, the transfer of heat between the excitation spots of the solid-state laser 202 can be greatly reduced, and the influence of the heat at the plurality of excitation sections can be suppressed, and a large-output multiple laser oscillation can be realized.
  • the advantage of using YAG crystals or diamond as the thermal separation layer 212 is that, in addition to enabling heat separation, the heat generated in the solid-state laser 202 and the nonlinear material 201 is dispersed in a wider part, resulting in a higher temperature. The rise can be suppressed, and this makes it possible to increase the output
  • the distance between the solid-state laser 202 and the nonlinear material 201 can be accurately controlled by the thickness of the thermal separation layer 212.
  • the surface accuracy of the solid-state laser resonator is important. By using a substrate with high flatness as the thermal separation layer, the production accuracy is improved, and a resonator can be produced with high accuracy. This improves the production yield.
  • FIG. 22 is a view for explaining another example of the laser light source according to the tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 (a) is a front view thereof
  • FIG. 22 (b) is a side view thereof. is there.
  • the laser light source 103s shown in FIG. 22 is obtained by providing a transparent heat sink 221 on the light incident side surface of the solid-state laser in the laser light source 103r shown in FIG.
  • the solid laser 4 and the wavelength conversion element 3 adopt a structure in which the end faces of the crystals constituting them are processed obliquely, so that they are lazy.
  • a diamond thin film is preferable as the transparent heat sink.
  • a heat sink 213 is provided between adjacent excitation parts to enhance the heat diffusion effect and reduce the temperature rise.
  • a heat separation layer 212 is provided between the solid-state laser 4 and the nonlinear material 3 to prevent the heat of the solid-state laser 4 from being transmitted to the nonlinear material 3.
  • a structure in which the thermal separation layer is arranged obliquely with respect to the optical axis of the excitation light is incorporated, so that the polarization separation is worse than that shown in FIG. 21, but the configuration is simple. Therefore, the production becomes easy. Further, by combining the transparent heat sink 221 and the heat sink 213 and performing wavelength conversion by a plurality of excitation units, high output can be achieved.
  • FIG. 10 is a view for explaining a laser light source according to the eleventh embodiment of the present invention
  • FIG. 10 (a) is a surface view thereof
  • FIG. 10 (b) is a side view thereof.
  • reference numeral 103t denotes a laser light source according to the eleventh embodiment
  • this laser beam source 103t is a semiconductor laser on the back surface side of the heat sink 1 in the laser device 103b according to the second embodiment shown in FIG.
  • a plurality of 2 are arranged.
  • the plurality of semiconductor lasers 2 on the rear surface side of the heat sink include a plurality of semiconductor lasers 2 whose excitation parts in the solid-state laser 4 excited by these semiconductor lasers are separated from each other by 300 zm or more and arranged on the surface of the heat sink 1. 300 / m or more for any excitation part of solid-state laser 4 excited by It is arranged to leave.
  • the semiconductor laser 2 is mounted above and below the heat sink 1, the mounting density of the semiconductor laser is increased with a smaller volume, thereby reducing the size of the highly efficient laser light source. Can be achieved.
  • FIG. 11 is a view for explaining another example of a laser light source according to Embodiment 11 of the present invention
  • FIG. 11 (a) is a surface view thereof
  • FIG. 11 (b) is a side view thereof. .
  • 103u is a laser light source, and this laser light source 103u is such that the thickness of the heat sink of the laser light source 103t of the embodiment 11 shown in FIG. It is a thing.
  • the heat sink lu has a structure in which the front surface and the back surface are inclined.
  • the excitation light from 112 can be concentrated on the excitation unit 113 in the solid-state laser 4.
  • the power density of the excitation unit 113 can be increased, and high-power laser oscillation can be achieved.
  • a material with high thermal conductivity is required as the heat sink, and SiC, diamond, Cu alloy, etc. are preferred
  • FIG. 16 is a view for explaining a laser light source according to Embodiment 12 of the present invention
  • FIG. 16 (a) is an overall view of the laser light source
  • FIG. 16 (b) is a partially enlarged view thereof
  • FIG. 17 is a partially enlarged view for explaining another example of the laser light source according to the twentieth embodiment of the present invention.
  • the laser light source 103v of the twelfth embodiment includes a fiber laser 168 that generates laser light, and a wavelength conversion element 3 that converts the wavelength of the laser light from the fiber laser 168.
  • the wavelength conversion element 3 is made of a nonlinear optical crystal, and on its light incident surface, a reflection coat 165 that transmits infrared light and reflects visible light is formed. Is formed with a reflective coat 164 that transmits visible light and reflects infrared light.
  • the fiber laser 168 includes a pump light source 167 and a Yb-doped fiber. One end of the fiber laser 168 is coupled to the pump light source 167, and the other end is close to the light incident surface of the nonlinear optical crystal 3, The structure is branched into a fiber part 161. Therefore, in this laser light source, the wavelength conversion element 3 has three conversion units.
  • the light generated by the pump light source 167, the Yb-doped fiber, and the fiber laser 168 that is powerful is branched by the array structure of the fiber 161, Introduced at multiple locations in the nonlinear optical material 3.
  • the light from a plurality of fiber parts 161 is converted by the wavelength conversion unit 166 of the nonlinear optical material 3 to generate a plurality of visible laser beams 11.
  • the wavelength conversion unit of the nonlinear optical material 3 causes an unstable output phenomenon due to heat. Therefore, when each conversion unit generates a high output exceeding 1 W, each conversion unit At the same time as reducing the output at the converter, it is necessary to keep the spacing between the converters at 100 / im or more in order to suppress the mutual heat effects of each converter.
  • single mode fibers having a core diameter of 8 xm and a cladding diameter of 150 / im are arranged in an array form in the plurality of fiber parts 161 that branch the light generated by the fiber laser 168.
  • the core spacing of the fiber array was 150 ⁇ , and the spacing between the converters was also 150 / m. Since the spacing between the converters is sufficiently wide, the effects of each other's heat can be suppressed and high output characteristics can be realized stably.
  • the fiber laser 168 was used as the fundamental wave to the fiber array. The fiber laser can obtain a high-efficiency fundamental wave with a single transverse mode, enabling high-efficiency conversion with a wavelength conversion element.
  • the output from the pump light source 167 is dispersed into a plurality by a fiber array, that is, a part of a plurality of branched fibers.
  • a fiber array that is, a part of a plurality of branched fibers.
  • the wavelength conversion unit in the wavelength conversion element 3 can take several configurations, but in this embodiment, as shown in FIG. 16 (b), both surfaces of the nonlinear optical material are provided with a reflective coat. It is structured.
  • the reflective coat 164 transmits visible light and reflects infrared light.
  • the reflective coat 165 transmits infrared light and reflects visible light. Red from fiber laser 168 A part of the outside light is converted into visible light by the wavelength conversion element 3, becomes laser light 11, passes through the reflection coat 164, and is output. The infrared light that has not been converted is reflected by the reflective coating 164. The reflected infrared light passes through the wavelength conversion element 3 again and is converted into visible light.
  • the light converted into visible light is reflected by the reflective coat 165, passes through the reflective coat 164, and is emitted to the outside.
  • the reflection film By providing the reflection film in this way, the wavelength of infrared light is converted back and forth, so that the conversion efficiency is greatly improved.
  • the laser light source shown in FIG. 17 is the same as the laser light source 103v of the twelfth embodiment shown in FIG. 16, except that the non-reflective coatings 172, 173. Even in the laser light source having such a configuration, the infrared light from the branched fiber 161 of the fiber laser 168 is wavelength-converted into visible light by the nonlinear material 3. In this case, the conversion efficiency of the laser light source is about half that of the conversion efficiency of the embodiment 12 shown in FIG. 16, and a laser light source having a simple configuration and excellent stability can be realized.
  • the fiber laser one end of the optical fiber constituting the single fiber laser is branched into a plurality, but such a single fiber laser is used.
  • a plurality of fiber lasers can be used.
  • the light output side of a plurality of fiber lasers is arranged in an array, and the light from these fiber lasers is wavelength-converted as shown in Figs. 16 (b) and 17 to increase the output. It is.
  • the wavelength-converted visible light can include a plurality of wavelengths by selecting different oscillation wavelengths for the plurality of fiber lasers.
  • a plurality of fiber lasers may have different wavelength spectrums.
  • the light emitted from the fiber can be condensed inside the nonlinear material 3 to improve the conversion efficiency.
  • Ma it is possible to prevent the reflected light from the nonlinear material from returning to the fiber by arranging the nonlinear material 3 slightly inclined with respect to the optical axis of the beam from the fiber. If a strong fundamental wave returns to the fiber, one end of the fiber may be damaged, or the fiber laser itself or the fiber laser pump light source may be damaged. Inclining the optical axis of the beam is an effective means for preventing return light.
  • the wavelength conversion element has three conversion units, but the number of conversion units is naturally not limited to this. Also, the spacing between the conversion units is not always constant.
  • FIG. 23 is a block diagram illustrating a display device according to Embodiment 13 of the present invention.
  • the display device 2000 according to the thirteenth embodiment includes a red light source 2003, a blue light source 2002, a green light source 2001, a dichroic mirror 2004 that combines light from each light source, a diffusion plate 2006 that diffuses incident light, The scanning mirror 20 05 that scans the combined light on the diffusion plate 2006, the field lens 2007 that converts the light that has passed through the diffusion plate 2006 to collimated light, the SLM2008 that performs image conversion of the collimated light, and the image converted. And projection lens 2009 for projecting light.
  • the green light source 2001 uses the laser light source 103a of the first embodiment shown in FIG.
  • the light emitted from the red light source 2003, the blue light source 2002, and the green light source 2001 is combined by the dichroic mirror 2004, and the light is scanned by Mirai 2005.
  • the combined light is expanded so that it has a uniform light quantity distribution in the two-dimensional plane of the SLM2008 image conversion element.
  • the diffuser 2006 scatters the irradiated light
  • the scanning mirror 2005 temporally changes the light diffusion state on the diffuser, thereby reducing speckle noise generated by the laser light.
  • the field lens 2007 converts the light that has passed through the diffuser into collimated light, and the light that has been image-converted by SLM2008 is projected onto an external screen by the projection lens 2009.
  • a semiconductor laser is used for the red light source 2003 and the blue light source 2002, and a solid-state laser that is the laser light source of the present invention and a wavelength conversion element are combined for the green light source 2001.
  • a light source is used.
  • RGB switching is performed at a frequency three times that of video switching.
  • the video is switched at 60 Hz, and the RGB light source is switched at 180 Hz, three times that.
  • the switching speed of light switching when projecting an image is very slow, about several hundreds to several kHz, so that the temperature rise of the light source can be followed.
  • the green light source in order to project an image with a brightness of 1001m, the green light source needs to output a high output noise of about 0.5W in average power and about 1-2W in peak power, and has a cooling mechanism.
  • a normal solid-state laser and a wavelength conversion element that do not perform stable oscillation are difficult. Therefore, the light source having a plurality of excitation parts of the present invention is very effective.
  • a cooling device such as a Peltier element or water cooling is not required, and miniaturization and low power consumption are possible. Since the average power is not so large, it is possible to reduce the power consumption of the light source, and there is an advantage that a small display device that suppresses heat generation of the light source can be realized.
  • the display device is characterized in that incident light is imaged by a two-dimensional image conversion element, so that there is no adverse effect that the beam quality deteriorates due to the light source having a plurality of beams. Having a plurality of beams can reduce the coherence of the laser beam, and thus has the advantage that speckle noise can be reduced and image deterioration can be prevented.
  • the RGB light source consumes more power in the order of red>green> blue. Therefore, in the configuration of a small display device, as shown in Fig. 23, the red and green locations are separated. Is desirable. With this configuration, the influence of heat generation between the light sources can be reduced.
  • the green light source 2001 uses the laser light source according to the first embodiment of the present invention.
  • the green light source 2001 includes the second embodiment of the present invention. Any of laser light sources 12 to 12 may be used.
  • the present invention makes it possible to achieve a high solid state laser by making the microchip laser emit a large amount of light, and at the same time, to stabilize the output in the longitudinal mode and the transverse mode in the solid state laser. Since a high-power small laser light source with little output fluctuation can be realized, its practical effect is great. Further, by applying the laser light source of the present invention to a display device, a small display device can be realized, and its practical effect is great. In addition, by applying the laser light source of the present invention to a display device, speckle noise can be reduced and a display device with high image quality can be realized.

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Abstract

　本発明は、固体レーザ光源において、複数の半導体レーザ（２）と、固体レーザ（４）と、波長変換素子としての非線形材料（３）と、前記固体レーザの一方の面に形成された反射コート（５）と、前記非線形材料（３）の一方の面に形成された反射コート（６）とを備え、前記両反射コートの間に、前記固体レーザと前記波長変換素子とを配置してレーザ共振器を構成し、前記複数の半導体レーザにより励起される、前記固体レーザ（４）における複数の励起部（８）を互いに３００μｍ以上離したものであり、これによりレーザ発振の横モード間の干渉がなくなり、安定な高出力が得られる高出力で安定な小型の固体レーザ光源を提供することができるものである。

Description

明 細 書
レーザ光源およびディスプレイ装置
技術分野
[0001] 本発明は、レーザ光源およびディスプレイ装置に関し、特に安定して高出力で動作 するマイクロチップレーザ光源とそれを用いたディスプレイ装置に関するものである。 背景技術
[0002] 固体レーザを用いたマイクロチップレーザは、光源の小型化を可能にする。マイクロ チップレーザとは、半導体レーザ励起の固体レーザで、その共振器長を数 mm程度 に短くしたものである。一般に固体レーザの共振器を短くすると、非特許文献 1に示 すように、出力安定性が図れる。さらに、マイクロチップレーザと波長変換素子を組み 合わせて、緑色光の発生を行っているものがある（非特許文献 2)。また、特許文献 1 に示すように高出力化のため、半導体レーザアレイと固体レーザと非線形結晶を組 み合わせて高出力の緑色光発生を行っているものがある。
[0003] また特許文献 2には、 2次元のアレイ状に固体レーザを並べた構成で高出力化を 図る方法も示されている。
特許文献 1 :特開 2004— 111542
特許文献 2：特開平 9 - 246648
非特許文献 1 : Journal of Optical Society of America B Vol. 11, p436-445, 1994 非特許文献 2 : Optics Communications 105(1994) pl83- 87
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] しかしながら、従来の半導体レーザ励起の固体レーザと波長変換素子を組み合わ せた構成では、出力の安定性が十分得られない。特に外部の温度変化が発生した 場合に固体レーザ共振器内の横モードの不安定性により出力変動が生じるという問 題があった。また、波長変換素子においても、温度上昇により位相整合波長が変化 するため、熱による出力不安定現象が発生してしまうという問題があった。
[0005] 本発明は、前記従来の問題を解決し、さらに、安定した横モードでレーザ発振する 高出力のレーザ光源を提供することを目的とする。
[0006] さらに、本発明は、レーザディスプレイ用のレーザ光源として、安定した横モードと 高出力特性に優れたレーザ光源を実現することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 前記の目的を達成するために、本発明に係るレーザ光源は、複数の半導体レーザ と、固体レーザ媒質と、波長変換素子と、前記固体レーザ媒質の一方の面に形成さ れた第 1の反射層と、前記波長変換素子の一方の面に形成された第 2の反射層と、 を備え、前記第 1と第 2の反射層の間に、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子と が配置され、前記第 1の反射層と第 2の反射層は、両反射端面がほぼ平行なレーザ 共振器を構成し、前記複数の半導体レーザにより前記固体レーザ媒質の複数の励 起部が励起され、前記複数の励起部が互いに 300 z m以上離れている、ことを特徴 とするものである。
[0008] これにより、 P 接する励起部間での熱的影響を緩和して、安定した横モードでのレ 一ザ発振を行うことができる。
[0009] また、本発明に係るレーザ光源は、 3以上の半導体レーザと、固体レーザ媒質と、 波長変換素子と、前記固体レーザ媒質の一方の面に形成された第 1の反射層と、前 記波長変換素子の一方の面に形成された第 2の反射層と、を備え、前記第 1と第 2の 反射層の間に、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子とが配置され、前記第 1の 反射層と第 2の反射層は、両反射端面がほぼ平行なレーザ共振器を構成し、前記 3 以上の半導体レーザにより前記固体レーザ媒質の 3以上の励起部が励起され、前記 3以上の励起部は、同一直線上に位置しないよう配置されている、ことを特徴とするも のである。
[0010] これにより、隣接する励起部間での熱的影響を緩和して、安定した横モードでのレ 一ザ発振を行うことができる。
[0011] また、本発明に係るレーザ光源は、複数の半導体レーザと、固体レーザ媒質と、波 長変換素子と、前記固体レーザ媒質の一方の面に形成された第 1の反射層と、前記 波長変換素子の一方の面に形成された第 2の反射層と、を備え、前記第 1と第 2の反 射層の間に、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子とが配置され、前記第 1の反 射層と第 2の反射層は、両反射端面がほぼ平行なレーザ共振器を構成し、前記複数 の半導体レーザにより前記固体レーザ媒質の複数の励起部が励起され、前記複数 の励起部が互いに熱分離機構により分離されている、ことを特徴とするものである。
[0012] これにより、 P 接する励起部間での熱的影響を緩和して、安定した横モードでのレ 一ザ発振を行うことができる。
[0013] また、上記レーザ光源において、前記波長変換素子が複数の非線形光学結晶から なることが好ましい。この場合、各非線形光学結晶を組成などが若干異なるものとす ることにより、波長の異なる複数のレーザ光を発生することができ、スペックルノイズの 低減を図ることができる。
[0014] また、上記レーザ光源において、前記波長変換素子が一つの非線形光学結晶から なることが好ましい。この場合、波長変換素子の構成を簡単にすることができる。
[0015] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質が複数の固体レーザ結晶か らなることが好ましい。この場合、各固体レーザ結晶を組成などが若干異なるものとす ることにより、波長の異なる複数のレーザ光を発生することができ、スペックルノイズの 低減を図ることができる。
[0016] また、上記レーザ光源にぉレ、て、前記複数の固体レーザ結晶は、その組成または 材質の少なくともいずれかが異なるものであることが好ましい。
[0017] また、上記レーザ光源において、前記励起部は 3以上あり、各隣接する励起部の間 隔が互いに異なっていることが好ましい。この場合、各励起部での温度が異なるもの とできる。これにより、温度の異なる励起部では、波長の異なるレーザ光が発生するこ ととなり、スペックルノイズの低減を図ることができる。
[0018] また、上記レーザ光源において、さらにヒートシンクを備え、前記ヒートシンクの表面 には段差が形成され、前記少なくともいくつかの半導体レーザは、前記ヒートシンク上 の段差により異なる高さに位置するよう前記ヒートシンク上に実装されていることが好 ましい。この場合、固体レーザ媒質における隣接する励起部間の距離を、固体レー ザ媒質の大きさを変えずに広げることが可能である。
[0019] また、上記レーザ光源において、前記半導体レーザ及び前記固体レーザ媒質がそ れぞれヒートシンクを備えたものであることが好ましい。この場合、固体レーザや半導 体レーザで発生する熱を十分外部に放熱できるため、レーザ光源の小型化が可能と なる。
[0020] また、上記レーザ光源にぉレ、て、前記半導体レーザと前記固体レーザ媒質は、互 いのヒートシンクが分離されているものであることが好ましい。この場合、半導体レー ザと前記固体レーザ媒質との間での熱の影響を低減でき、より放熱効果を高めること ができる。
[0021] また、上記レーザ光源において、前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒質にお ける複数の励起部の間に配置されたヒートシンク部を備えていることが好ましい。この 場合、固体レーザ媒質における励起部間での熱の影響を低減でき、励起部の放熱 効果をより高めることができる。
[0022] また、上記レーザ光源において、前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒質と前 記波長変換素子との間に配置された熱分離層を有することが好ましい。この場合、固 体レーザ媒質と前記波長変換素子との間での熱の影響を低減でき、より放熱効果を 高めることができる。
[0023] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質はセラミック材料からなり、前 記固体レーザ媒質における複数の励起部の少なくとも 1つは、材質または組成の少 なくとも一方が、他の励起部とは異なり、前記少なくとも 1つの励起部からは、他の励 起部とは異なる波長のレーザ光を発生することが好ましい。この場合、組成などの異 なる励起部では、波長の異なるレーザ光が発生することとなり、スペックルノイズの低 減を図ることができる。
[0024] また、上記レーザ光源にぉレ、て、前記固体レーザ媒質の複数の励起部は、それぞ れ発振状態において異なる温度を有し、前記温度差により互いに異なる発振波長ま たは発振スペクトルを有するレーザ光を発振することが好ましい。この場合、温度の 異なる励起部では、波長の異なるレーザ光が発生することとなり、スペックルノイズの 低減を図ることができる。
[0025] また、上記レーザ光源において、さらに光フィードバック素子を備え、前記光フィー ドバック素子により前記半導体レーザの発振波長が固定されることが好ましい。この 場合、外部温度が変化しても、発振波長は変動しないので、固体レーザ媒体の励起 を安定に行うことができ、外部温度の変動による出力の変動を大幅に抑えることがで きる。
[0026] また、上記レーザ光源において、前記光フィードバック素子が体積グレーティング、 あるいは波長選択フィルタであることが好ましレ、。
[0027] また、上記レーザ光源において、さらにファイバーアレイを有し、前記複数の半導体 レーザからの光が前記ファイバーアレイを介して前記固体レーザ媒質に導入されて、 該固体レーザ媒質を励起することが好ましい。この場合、励起用半導体レーザの配 置の自由度を大きくすることができる。
[0028] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質または前記波長変換素子の 少なくとも一方が、前記励起光源からの励起光の光軸に対して傾斜した端面を有し ていることが好ましい。この場合、偏光分離特性の向上により出力の安定性を向上さ せること力 Sできる。
[0029] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質または前記波長変換素子の 少なくとも一方が有する傾斜した端面が前記励起光の光軸となす角度は、前記固体 レーザ媒質の発振波長に対するブリュースター角となっていることが好ましい。この場 合、偏光分離特性の向上により出力の安定性を向上させることができる。
[0030] また、上記レーザ光源にぉレ、て、前記波長変換素子は非線形光学結晶であり、前 記非線形光学結晶が周期状の分極反転構造を有する Mg、 Zn, In、 Scの何れかを 含む LiNbOであり、かつ前記非線形光学結晶の厚み力 lmm以下であることが好ま
3
しい。この場合、共振器長を短くして安定したレーザ発振を行うことができる。
[0031] また、上記レーザ光源において、前記非線形光学結晶に形成された分極反転構造 の周期が、前記非線形光学結晶内で分布を持っていることが好ましい。この場合、分 極反転構造の周期の分布により、波長変換素子内での温度分布により位相整合条 件が部分的に異なるのを抑えることができる。
[0032] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質は固体レーザ結晶であり、 前記固体レーザ結晶のいずれかの対向する側面が非平行であることが好ましい。こ の場合、固体レーザ媒質の両側面間での異常なレーザ発振を抑えることができる。
[0033] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質は固体レーザ結晶であり、 前記固体レーザ結晶の端面には、溝が前記隣接する励起部間に位置するよう形成さ れていることが好ましい。この場合、固体レーザ媒質における、励起部の配列方向で の異常なレーザ発振を抑えることができる。
[0034] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ結晶の端面に形成された溝と、 該固体レーザ結晶の、励起光の光軸と平行な側面とが非平行であることが好ましい。 この場合、固体レーザ媒質の両側面間での異常なレーザ発振をより一層抑えること ができる。
[0035] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ結晶の端面に、前記半導体レー ザからの光が斜めに入射するよう、前記半導体レーザを傾けて配置することが好まし い。この場合、固体レーザ媒質の光入射端面で反射された光が半導体レーザの活 性層に戻るのを抑えることができ、半導体レーザの出力の安定化と長寿命化を図るこ とがでさる。
[0036] 本発明に係るレーザ光源は、励起光源と、固体レーザ媒質と、波長変換素子と、を 備え、前記固体レーザ媒質は、前記励起光源により励起されることで、複数のレーザ 光を発生し、前記波長変換素子は複数の波長変換部を備え、前記複数のレーザ光 は、前記波長変換素子の異なる波長変換部で短波長光に変換され、前記波長変換 部は、互いに 100 /i m以上離れている、ことを特徴とするものである。
[0037] これにより、波長変換素子における隣接する波長変換部間での熱的影響を緩和し て波長変換を安定に行うことができる。
[0038] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質がファイバーレーザであるこ とが好ましい。この場合、励起光源の配置の自由度が大きくなり、励起光源を固体レ 一ザ媒質から十分離して配置することもできる。
[0039] また、上記レーザ光源において、前記ファイバーレーザからのレーザ光が複数のレ 一ザビームに分割されていることが好ましい。この場合、 1つの励起光源により固体レ 一ザ媒質に複数の励起部を発生させることができる。
[0040] また、上記レーザ光源において、前記固体レーザ媒質が複数のファイバーレーザ 力もなることが好ましレ、。この場合、特性の異なるファイバーレーザを用いることにより 、各励起部で発生されるレーザ光の発振波長や波長スペクトルを簡単に変えることが できる。
[0041] また、上記レーザ光源において、前記複数のファイバーレーザからのレーザ光のう ち、少なくとも 1つが異なる発振波長または異なる波長スペクトルを有することが好ま しい。この場合、スペックルノイズを低減することが可能となる。
[0042] また、上記レーザ光源において、前記波長変換素子が周期状の分極反転構造を 備えた非線形光学結晶からなることが好ましい。この場合、分極反転構造の周期に 分布を持たせることにより、波長変換素子内での温度分布により位相整合条件が部 分的に異なるのを抑えることができる。
[0043] また、上記レーザ光源において、前記波長変換素子が複数の非線形光学結晶から なることが好ましい。この場合、各非線形光学結晶を組成などが若干異なるものとす ることにより、波長の異なる複数のレーザ光を発生することができ、スペックルノイズの 低減を図ることができる。
[0044] また、上記レーザ光源において、前記波長変換素子が一つの非線形光学結晶から なることが好ましい。この場合、波長変換素子の構成を簡単にすることができる。
[0045] また、上記レーザ光源にぉレ、て、前記波長変換素子は非線形光学結晶であり、前 記非線形光学結晶が周期状の分極反転構造を有する Mg、 Zn, In、 Scの何れかを 含む LiNbOであり、かつ前記非線形光学結晶の厚み力 Slmm以下であることが好ま
3
しい。この場合、共振器長を短くして安定したレーザ発振を行うことができる。
[0046] また、上記レーザ光源において、前記非線形光学結晶に形成された分極反転構造 の周期が、前記非線形光学結晶内で分布を持っていることが好ましい。この場合、分 極反転構造の周期の分布により、波長変換素子内での温度分布により位相整合条 件が部分的に異なるのを抑えることができる。
[0047] また、本発明に係るディスプレイ装置は、上記レーザ光源と、コリメート光学系と、均 一化光学系と、 2次元画像変換デバイスと、を備え、前記レーザ光源からの複数のレ 一ザビームは、前記均一化光学系により面内強度分布が均一化され、前記 2次元画 像変換デバイスにより画像に変換される、ことを特徴とするものである。
[0048] これにより、スペックルノイズを低減できる高画質のディスプレイ装置を実現できる。
[0049] また、上記ディスプレイ装置において、前記均一化光学系がロッドプリズムから構成 されていることが好ましい。
[0050] また、上記ディスプレイ装置において、さらに光学素子を備え、前記ロッドプリズムに 入射するレーザ光の偏向、位相、偏光の少なくともいずれ力を前記光学素子により変 調することが好ましい。この場合、スペックルノイズを、レーザ光の偏向などを変調す ることにより低減すること力 Sできる。
発明の効果
[0051] 本発明に係るレーザ光源によれば、固体レーザを複数の半導体レーザで励起する ことで、固体レーザでの励起部を複数に分散させることができ、しかも、複数の励起 部を互いに所定距離以上離して配置する、あるいは一直線上に位置しないよう配置 することで、固体レーザで発生する熱レンズ効果の影響を制御し、安定した高出力の マルチビームを実現することができる。
[0052] また、本発明に係るレーザ光源によれば、固体レーザにおける複数の励起部を互 いに熱分離機構により分離して該複数の励起部でのレーザ発振の相互作用を抑圧 することで、各励起部での安定したビーム出力を保つことができ、これにより、より安 定な光源が実現できる。
[0053] また、本発明に係るレーザ光源によれば、複数の波長変換部でレーザ光を波長変 換するようにし、該複数の波長変換部を互いに所定距離だけ離すことで、高出力の 短波長光を発生できる。
[0054] さらに、本発明によれば、出力安定化のために固体レーザ共振器構造の最適設計 を行うことで、縦モードをより少なく抑えて安定化させる共振器構造を実現することが できる。
[0055] さらに、本発明によれば、外部の温度変動に対して、固体レーザの発振を安定に 保持することができるレーザ光源を得ることができる。
[0056] さらに、本発明のレーザ光源をディスプレイ装置に用いることで、出力安定化と同時 にスペックルノイズの低減を図ることが可能となり、高画質のディスプレイを実現できる という効果が得られる。
図面の簡単な説明
[0057] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1によるレーザ光源を説明する図であり、図（a)は その上面図であり、図（b)は、該レーザ光源を用いたディスプレイ装置の構成図であ る。
園 2]図 2は、本発明の実施の形態 2に係るレーザ光源を説明する図であり、図（a)は その表面図、図（b)はその側面図、図（c)は、該レーザ光源における固体レーザの 温度分布を説明する図である。
園 3]図 3は、上記実施の形態 2を説明するための図であり、共振器長とレーザ出力 の出力変動との関係を示す特性要因図（図（a) )、及び各種非線形材料の結晶長と 効率との関係を示す特性要因図（図 (b) )である。
園 4]図 4は、本発明の実施の形態 2によるレーザ光源の他の例を説明する図であり、 図（a)はその上面図、図（b)、図（c)は側面図である。
園 5]図 5は、本発明の実施の形態 3によるレーザ光源を説明する図であり、図（a)は その表面図、図（b)はその側面図である。
園 6]図 6は、本発明の実施の形態 3によるレーザ光源の他の例を説明する図であり、 図（a)はその表面図、図（b)はその側面図である。
園 7]図 7は、本発明の実施の形態 3によるレーザ光源の他の例を説明する図であり、 図（a)はその表面図、図（b)はその側面図である。
[図 8]図 8は、本発明の実施の形態 6によるレーザ光源を示す表面図であり、図（a)は その表面図、図（b)はその側面図である。
[図 9]図 10は、本発明の実施の形態 10によるレーザ光源を説明する図であり、図（a) はその表面図、図（b)はその側面図である。
[図 10]図 10は、本発明の実施の形態 11に係るレーザ光源を説明する図であり、図（ a)はその表面図、図（b)はその側面図である。
園 11]図 11は、本発明の実施の形態 11に係るレーザ光源の他の例を説明する図で あり、図（a)はその表面図、図（b)はその側面図である。
[図 12]図 12は、本発明の実施の形態 2によるレーザ光源におけるレーザ結晶の例（ 図（a) , 0 (b) ,図（c) )を説明する図である。
[図 13]図 13は、本発明の実施の形態 5によるレーザ光源を説明する図であり、図（a) はその表面図、図（b)はその側面図である。 [図 14]図 14は、本発明の実施の形態 2によるレーザ光源のレーザ結晶の一構成例（ 図（a) )及び他の構成例（図（b) )を示す図である。
[図 15]図 15は、本発明の実施の形態 4によるレーザ光源を説明する図であり、図（a) はその表面図、図（b)はその側面図である。
[図 16]図 16は、本発明の実施の形態 12によるレーザ光源を説明する図であり、図（a )はその全体図であり、図（b)はその部分拡大図である。
[図 17]図 17は、本発明の実施の形態 12に係るレーザ光源の他の例を説明する部分 拡大図である。
[図 18]図 18は、本発明の実施の形態 7によるレーザ光源を説明する図であり、図（a) はその表面図、図（b)はその側面図である。
[図 19]図 19は、本発明の実施の形態 8によるレーザ光源を説明する図であり、図（a) はその表面図、図（b)はその側面図である。
[図 20]図 20は、本発明の実施の形態 9によるレーザ光源を説明する図であり、図（a) はその表面図、図（b)はその側面図である。
園 21]図 21は、本発明の実施の形態 10によるレーザ光源の他の例を説明する図で あり、図（a)はその表面図、図（b)はその側面図である。
園 22]図 22は、本発明の実施の形態 10によるレーザ光源の他の例を説明する図で あり、図（a)はその表面図、図（b)はその側面図である。
園 23]図 23は、本発明の実施の形態 13によるディスプレイ装置を説明する構成図で ある。
符号の説明
1 ヒートシンク
2 半導体レーザ
3 非線形光学材料
4 固体レーザ
5 反射コート
6 反射コート
7, 74, 75 ヒートシンク 励起部
体積グレーティング
レーザ光
熱分離層
1 ロッドプリズム
2 SLM
3a〜： L03c、 103g, 103i〜： L03k, 103m, 103n, 103p〜： L03v レーザ光源 光学素子
5 レンズ
1 半導体レーザ
2 半導体レーザ
3 励起部
1, 122, 123, 124 側面
5 励起部
レーザ発振
溝
1, 132 マイクロレンズァ
波長フィルター
1 , 142, 143 励起部
レーザ結晶 A
レーザ結晶 B
レーザ結晶 C
コア
半導体レーザ
ファイバー
ファイバーアレイ
ファイバー
, 165 反射コート 166 変換部
167 ポンプ光源
168 ファイバーレーザ
171 ファイバー
172, 173 無反射コート
181， 182 非線形材料
201 非線形材料
202 固体レーザ
211 体積グレーティング
212 熱分離層
213 ヒートシンク
221 透明ヒートシンク
2000 ディスプレイ装置
2001 緑色光源
2002 青色光源
2003 赤色光源
2004 ダイクロイツクミラー
2005 走查ミラー
2006 拡散板
2007 フィールドレンズ
2008 SLM
2009 投射レンズ
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
(実施の形態 1)
図 1は、本発明の実施の形態 1によるレーザ光源を説明する図であり、図 1 (a)は、 その上面図であり、図 1 (b)は、該レーザ光源を用いたディスプレイ装置の構成図で ある。 [0060] この実施の形態 1によるレーザ光源 103aは、複数の半導体レーザチップ (以下半 導体レーザともいう。） 2と、固体レーザ 4と、波長変換素子としての非線形材料 3とを 備え、前記固体レーザ 4は、前記半導体レーザにより励起されることで複数のレーザ 光を発生し、前記非線形材料は複数の波長変換部を備え、前記複数のレーザ光は 、前記非線形材料の異なる波長変換部で短波長光に変換され、前記波長変換部は 、互いに 100 z m以上離れている。
[0061] 図 1 (a)に示すように、この実施の形態 1のレーザ光源 103aでは、複数の半導体レ 一ザ 2がヒートシンク 1上に半田で固定されている。該複数の半導体レーザ 2は一定 間隔隔てて配置され、それぞれ 808nm近傍の発振波長を有している。
[0062] 次に動作、及び作用効果について説明する。
各半導体レーザ 2から出た光は、固体レーザ 4を励起する。このとき、固体レーザ 4 にて各半導体レーザ 2からの光により励起される複数の励起部 8は、互いに 100 / m 以上離れている。固体レーザ 4は 1. 06 μ ΐη近傍の光を発生し、該固体レーザ 4の光 出射側に配置された非線形材料 3は、固体レーザ 4で発生した光を波長 0. 53 μ η のレーザ光 11に変換する。ここで上記非線形材料 3は非線形光学結晶であり、波長 変換素子を構成している。この波長変換素子では、レーザ光は異なる波長変換部で 短波長光に変換され、前記波長変換部は、互いに 100 μ η以上離れている。また、 上記固体レーザ 4と非線形材料 3は反射コート 5， 6に挟まれて共振器構造を形成し ており、半導体レーザで励起された固体レーザは、共振器内でのレーザ発振を起こ させる。発振したレーザ光を非線形材料 3により高調波に波長変換することで波長 0. 53 μ mのレーザ光 11として緑色光の発生が可能となる。
[0063] このレーザ光源を用いたディスプレイを図 1 (b)に示す。図においてレーザ光源 10 3aから出力された光は、光学素子 104を通った後、ロッドプリズム 101に入射する。 該ロッドプリズム 101に入射した光は、ロッドプリズム内で矩形状にその強度分布を整 形した後、 2次元画像変換スィッチである SLM102で画像変換されてレンズ 105によ り投射される。
[0064] 本発明のレーザ光源がディスプレイ装置に有効なのは以下の 2つの点で優れてい るためである。 [0065] 一つは、高出力、高安定な特性であり、もう一つはスペックルノイズが少ない点であ る。
高出力、高安定な特性は以下のレーザ光源の特徴の中で説明するので、ここでは 、スペックルノイズの低減にっレ、て詳細を述べる。
[0066] スペックルノイズとは、レーザ光のような干渉性の高い光の干渉パターンが発生する 現象で、レーザ光をディスプレイ等に適用する場合、画質の劣化の原因となる。この 問題を低減するため、本発明のディスプレイの構成においては光学素子 104を用い ている。光学素子は屈折率可変のマイクロ形状からなる素子で、液晶を所定の平面 ノ ターンを有する構造内に閉じ込め、交流を印加することで時間的に屈折率を変化 させ、該光学素子 104を通過する光の偏向、位相を変化させている。この構成により 、レーザ光のスペックルノイズの低減が可能となる。ここでのスペックルノイズの低減 は、干渉パターンを時間的に変化させる方式で、人間の目には複数の干渉パターン が高速に変化することで複数のパターンが平均化されて滑らかな画像として認識さ せる方法である。この方法においては、本発明のレーザ光源は有効である。このレー ザ光源はマルチビーム構造で、複数のビーム、つまり出力レーザ光が互いに所定の 距離だけ離れているため、ロッドプリズム 101にレーザ光が異なる角度で入射される。 複数のレーザ光源からの光が異なる角度でプリズムに入射すると、スクリーンでの光 の干渉パターンが複雑になるため、スペックルが多重化して抑圧効果が向上する。
[0067] また、複数のレーザ光を異なる周波数で発光させる方法も干渉パターンの変化に 有効である。この場合の周波数は画像を切り替える周波数よりも十分速くする必要が あり、励起用の半導体レーザ 2からのレーザ光を変調することで可能となる。
[0068] さらに、固体レーザの 2つの反射コート 5及び 6は、一方の反射コート 6が緑色光を 全反射し、他方の反射コート 5が緑色光を透過するように設計する。これによつて、レ 一ザ光 11は非線形光学結晶 3から直接外部に出た光と、反射コート 6で一度反射さ れた光の和となる。このためレーザビームはそれぞれ 2つのビーム力ら構成されてお り、それらがロッドプリズム内で強度分布を整形されることでより複雑な干渉パターン を構成し、効果的にスペックルノイズを低減できる。
[0069] さらに、波長変換素子における波長変換部の距離が、高出力化には重要である。 周期状の分極反転構造による高効率波長変換が可能な Mg〇ドープ LiNb〇3, LiT a〇3、 KTPまたはこれらのストィキオメトリックな材料系では、高い非線形性による高 効率な波長変換が可能である。ところ力 出力が 1Wを越える第 2高調波発生で可視 光を発生する場合に、出力が不安定になる現象が見いだされた。その原因は、発生 した可視光と基本波による第 3高調波発生により波長 400nm以下の紫外光が発生 すると、可視光の吸収が増大することによるものである。即ち、発生した可視の高調 波の吸収により熱が発生し、変換効率が時間的、部分的に変化することで出力が不 安定になる現象である。これを防止するには、波長変換素子における変換部分を複 数に分離し、変換部分における可視光の発生出力を限定するとともに、隣接する波 長変換部分の距離を保つことで、変換部分で発生する熱を抑圧することが重要であ る。
[0070] まず変換部分での可視光の発生としては、数 W以下に抑える必要がある。信頼性 を含めると：!〜 2W程度以下に抑えることで、出力の不安定性、変換効率の経年変化 を抑圧できることが判明した。一方、熱的な影響を抑えるには、波長変換部分の間隔 を 100 μ ΐη以上に離すのが好ましいことが実験的に分かった。実験では Mg〇：LiNb 〇3結晶を用いて、 2つの波長変換部で波長 530nm近傍の緑色光を発生させた場 合、変換部の距離が 50 μ η以下になると、安定した最大出力は合計で 2W以下しか 得られなかった。これは、変換部での発熱が互いに影響したことで、出力が不安定に なったためと考えられる。変換部の距離を 100 μ m以上にすると最大出力を合計で 3 W以上にしても安定な出力が得られた。また数 100時間の耐性実験を行っても、変 換効率、出力に変化はなかった。この結果より変換部の間隔は 100 x m以上が好ま しいことが明らかになった。
[0071] さらに、複数の結晶を用いて、基本波を波長変換すると、互いの熱的な影響がなく なり有効である。この場合は、一つの結晶での可視光発生の強度を数 W以下に抑え るのみでよい。
[0072] さらに、複数のレーザビームからなる本発明のレーザ光源を用いたディスプレイ装 置は、高い信頼性を実現できる。ポンプ用の半導体レーザおよび固体レーザ部分を 複数用意することで、例えば、一部のレーザが劣化した場合に、他のレーザでその出 力を補うことができる。このため、ディスプレイの長寿命化、信頼性向上に有効である 。さらに、レーザ光源としては、ひとつの光源で出力可能な最大値に対して余裕をも たせることで、全体の寿命が向上する。さらにいずれかのレーザが劣化した場合、他 のレーザ出力を上げることで、輝度を確保できる。また、予備のレーザを備えて、一部 のレーザが劣化した場合に全体の出力を補うことも可能である。このように、マルチビ ーム構造にすることで、ディスプレイ用光源の信頼性を大幅に向上できる。
[0073] このように本実施の形態 1によるレーザ光源 103aでは、複数の半導体レーザ 2と、 固体レーザ 4と、波長変換素子を構成する非線形材料 3と、前記固体レーザの一方 の面に形成された反射コート 5と、前記非線形材料 3の一方の面に形成された反射コ ート 6と、を備え、前記複数のレーザ光は、前記波長変換素子の異なる波長変換部で 短波長光に変換され、前記波長変換部は、互いに 100 μ ΐη以上離れているので、隣 接する波長変換部間での熱的影響を緩和して、波長変換を安定に行うことができる。
[0074] (実施の形態 2)
図 2は本発明の実施の形態 2に係るレーザ光源を説明する図であり、図 2 (a)はそ の表面図であり、図 2 (b)はその側面図であり、図 2 (c)は固体レーザの温度分布を説 明するための図である。
[0075] 図 2において、 103bは本実施の形態 2によるレーザ光源であり、このレーザ光源 10 3bは、複数の半導体レーザ 2と、固体レーザ 4と、波長変換素子を構成する非線形 材料 3と、前記固体レーザの一方の面に形成された反射コート 5と、前記非線形材料 3の一方の面に形成された反射コート 6と、を備え、前記両反射コートの間に、前記固 体レーザと前記波長変換素子とが配置され、前記両反射コートはほぼ平行に配置さ れてレーザ共振器を構成し、前記複数の半導体レーザにより前記固体レーザの複数 の励起部 8が励起され、前記複数の励起部 8が互いに 300 x m以上離れている。
[0076] ここで、半導体レーザ 2はヒートシンク 1上に固定されている。固体レーザ 4と非線形 光学材料 3とは接合され、非線形材料 3の光出射面には反射コート 5が、固体レーザ 4の光入射面には反射コート 6が施されて、レーザ共振器が構成されてレ、る。
[0077] 次に動作、及び作用効果について説明する。
半導体レーザ 2から出力したレーザ光（波長 808nm)は固体レーザ 4を励起し、固 体レーザ 4は 1. 06 z m近傍の光を発生する。この 1. 06 z mの光はレーザ共振器内 で非線形光学材料 3により波長変換され、波長 0. 53 x mの緑色のレーザ光 11とな つて外部に出射される。ここで固体レーザと非線形光学材料とは一つの材料から構 成されており、構造の簡素化が図れている。また、高出力化には、レーザ共振器から 出力されるビームスポットを増やすことで対応できる。
[0078] このような固体レーザを安定に発振するには、共振器内でのレーザ発振を安定化さ せる必要があり、レーザ発振の縦モードおよび横モードの安定化が重要である。
[0079] 縦モードはレーザ共振器内での発振スぺタトノレの多さであり、マルチモードとなって 発振スペクトルが増大すると不安定となる。マイクロチップレーザは、共振器長を短く することで発振モードを抑圧して出力の安定化が図れる。実際にはレーザ共振器の 光学長を 4mm以下にすることでマルチモード発生の抑圧が可能になる。共振器長を 変えて出力の安定性を実験した結果を図 3 (a)に示すが、レーザ媒質の屈折率が 2 程度のとき共振器長が 2mm以上になると光学長が 4mm以上になり出力変動が増大 した。
[0080] 一方、レーザ共振器には、固体レーザと非線形光学結晶とが必要であり、これらを 合わせた共振器の長さを 2mm以下にする必要がある。ところが、非線形結晶からな る波長変換素子の長さは変換効率に比例するため、該素子を短くすると変換効率が 低下する。図 3 (b)は高効率な非線形材料の変換効率と素子長 (結晶長）の関係を 示したものである。ポンプする固体レーザの出力を 1W程度としたとき、最大の変換効 率を得るには、図 3 (b)に示した最大変換効率が得られる値程度の結晶長が必要と なる。
[0081] このときの結晶長としては KTPで 4mm、周期分極反転構造を形成した LiTaO (P
3
PLT)で 0. 8mm、周期分極反転構造を形成した KTP (PPKTP)で 0. 5mm、周期 分極反転構造を形成した LiNbO (PPLN)で 0. 25mm必要である。固体レーザの
3
結晶長が 0. 5mm程度であるため、共振器長を 2mm以下にするには、従来使用さ れている KTPでは最大効率が得られなレ、。 PPLT, PPKTP, PPLNといった周期状 の分極反転構造を有する結晶を用いて初めて安定な出力特性が得られた。
[0082] 中でも PPLNは非常に高い変換効率を有するため、共振器長を短くでき安定性、 高効率特性が最も優れていた。し力 ながら PPLNには、光損傷の問題があり、高出 力の緑色光を安定に得るのが難しいという問題があった。これを解決するため Mgド ープした LiNb〇を用いると、光損傷の問題は無くなり、固体レーザ結晶と合わせて も lmm以下の共振器長が実現できた。このため、出力の安定性は大幅に増大し、外 部の温度変化に対しても安定な動作が得られた。
[0083] また本発明のレーザ光源の構成は、平板状の反射コートの間でレーザ発振が行わ れる共振器構造をとつているため、共振器の損失は共振器長に大きく影響される。共 振器長を 2mm以下にすることで、共振器の損失も低減し、高効率化が可能になった
[0084] また、非線形材料は、周期状の分極反転構造を有する結晶を用いてレ、る。非線形 光学結晶の位相整合波長は分極反転周期により決定される。固体レーザの励起部 を複数設けて同時に励起する構成では、固体レーザ部分の温度上昇が発生する。こ の温度上昇は、各励起部で発生するが、各励起部間で温度分布が発生する。具体 的には、非線形光学結晶の中央に近い励起部は、その端部に位置するものに比べ て温度が高くなる。この温度は非線形光学結晶にも伝わるので、非線形光学結晶の 位相整合条件が部分的に異なることになり、全体の変換効率が低下する。これを解 決するため、分極反転周期は非線形光学結晶にて部分的に分布を持たせて設計す ること力望ましレ、。非線形光学結晶の中央部は温度が高くなるので周辺部より分布反 転周期を短く設計するのが好ましい。
[0085] 一方、横モードの安定性が出力安定性には重要である。そのため、本発明では固 体レーザでのレーザ発振がそれぞれ独立して互いに干渉しないように励起部間隔を とっている。マイクロチップレーザは、平板状の反射コートの間でレーザ発振が行わ れる共振器を用いるため、励起された固体レーザ部分の熱レンズ効果を利用して共 振器の安定化、低損失化を図っている。このため、固体レーザの励起部分が光学的 にも、熱的にも互いに干渉すると発振が不安定になる。また励起部分が干渉すると、 共振器内での光のビームスポットが拡大するので、非線形光学結晶での変換効率が 低下する。このため、共振器内での横方向の干渉を十分抑える必要がある。
[0086] 図 2 (c)は固体レーザにおける横方向の温度分布を示している。図に示されるように 各励起部では励起スポットを中心に温度上昇が起きる。この温度分布が横方向に分 離されることで、互レ、の励起部での熱レンズの発生を安定化させることが可能となる。 我々の検討では、励起半導体レーザの活性層の幅が 50 x m程度の時、励起部の間 隔が 200 μ m以上になると安定した発振が確認された。活性層幅が 100 a mのとき は 250 μ m以上の間隔が必要となる。半導体レーザの活性層幅は 100 μ m以下が 好ましぐ 50 z m以下がさらに好ましい。活性層の幅は、固体レーザの励起部分の大 きさを決定し、固体レーザで発振する横モードの大きさを決める。横モードが大きいと 、共振器内のパワー密度が低下し波長変換の効率が大幅に低下する。このため、活 性層の幅は 50 μ ΐηが好ましい。また、レーザ媒質として Nd :YV〇の基板を用い、基
4
板の厚みが 0. 5mmの場合、励起スポットの温度分布は半値全幅で 300 /i m程度の 山形分布となる。それぞれの励起部のピーク温度が隣の励起部の影響により上昇し ないためには、少なくとも各励起部の間隔を 300 / m以上に設定することが望ましレ、
[0087] 本実施の形態 2による構成のレーザ光源を作製した。半導体レーザには出力 1Wの ストライプ状のものを 3つ用い、活性層の幅は 50 x m、半導体レーザの間隔は 200 μ mでそれぞれヒートシンク上に固定した。固体レーザは Nd :Y〇であり、結晶長は 0.
4
5mm、非線形結晶は周期状の分極反転構造を有する Mgドープ LiNbOで、結晶長
3 は 0. 5mmであった。この構成で、各ビームからの緑色光の出力は 0. 3W、合計で 0 . 9Wの緑色光が発生した。出力は安定であり、モード等の変動による不安定性は観 測されなかった。従来の KTPを用いた構成では 1ビームの構成で出力は 0. 1W程度 なので、大幅な出力向上および安定性が確認された。
[0088] このことは、従来のアレイ型の半導体レーザでは、各半導体レーザにより励起される 固体レーザでは、互いに励起部が干渉しレーザ発振が不安定になり、さらに固体レ 一ザのモード広がりが生じ、波長変換の効率が低下するといつた問題が生じていた 力 この問題が本発明の構成で改善されたことを示す。
[0089] なお、 Mgドープ LiNbOの代わりに、 In
3 、 Zn、 Sc等をドープした LiNbOを非線形
3 結晶として用いた場合でも、光損傷耐性は向上して高出力化が可能になった。 PPM gLNのさらなる特徴は、 KTPで発生するグレイトラックの現象がないことである。 KTP においては lOOmW以上の高出力の可視光発生を長時間行うと、結晶にカラーセン ターが発生し、特性が劣化するグレイトラックの現象が生じる。このため、高信頼性の 光源を実現するのが難しい。これに対して、 PPMgLNは、 1W程度の出力でもカラー センターが生じることはなぐ高い信頼性が得られるため、信頼性の高い光源を実現 できる。
[0090] なお、固体レーザとしては Nd :YV〇， Nd : GdVOが望ましレ、。 Ndのドープ量を高 くできるので、吸収係数を大きくでき、マイクロチップレーザの構成が容易になる。 Nd ： YVO , Nd : GdVOの好ましい点は、固体レーザの励起効率が結晶軸に対して異 方性を持っているため、単一偏光でレーザ発振する点である。
[0091] 非線形光学材料での波長変換は偏光依存性を持っため、単一偏光での発振は変 換効率が大幅に向上する。特に周期状の分極反転構造を有する結晶は複屈折の光 軸と位相整合の光軸とがー致しているため、温度による偏光の変化が少なぐ単一偏 光のレーザ結晶を組み合わせることで変換効率の向上が図れ、偏光の安定化が実 現できる。さらに、 Nd : YVO , Nd : GdVOは異常光屈折率が 2. 165, 2. 15であり
、 Mgドープの LiNbOの屈折率 2. 15とほぼ等しい。このため、オプティカルコンタク トまたは直接接合した場合の屈折率差が非常に小さくフレネル損失が大幅に低下す るため、共振器内ロスが低下し高効率化が図れる。
[0092] 固体レーザとしては Nd : YV〇に比べて Nd : GdV〇はより好ましレ、。 Nd : GdVO 結晶の熱膨張係数が Mgドープ LiNbOの熱膨張係数により近いため、非線形光学 結晶と固体レーザ結晶を接合した場合に、結晶の温度変化により接合部に生じるひ ずみが小さくなる。このため、接合プロセスが容易になり、かつ外部の温度変化に対 しても安定した接合が実現できるという利点がある。
[0093] また固体レーザとして、レーザ結晶の代わりにセラミックを用いたセラミックレーザ等 も適用可能である。さらに、セラミックレーザは、レーザの微結晶を焼結することで作 製するため、異なる結晶の混合や、その混合比に部分的に分布をつけることが容易 になる。
[0094] 図 14 (a) ,図 14 (b)は、本発明の実施の形態 2に係るレーザ光源のレーザ結晶の 構成例を示す図である。図 14 (a)はレーザ結晶の一例の断面構造に示す。図 14 (a) に示すように、レーザ結晶（固体レーザ) 4aは複数の励起部 141〜： 143で励起される ものであり、励起部 141 , 142， 143がそれぞれ異なるレーザ結晶組成または材質で 構成されている。例えば、励起部 141は Nd : YV04、励起部 142は Nd : GdV〇4、 励起部 143は Nd :YLFを主材料になるように形成する。これによつてレーザは、励起 部 141， 142, 143でそれぞれ異なる波長での発振が可能なものとなる。このような励 起部で発振されたレーザを、位相整合条件をそれぞれの波長に合わせた波長変換 素子で変換するようにすると、異なる発振波長を同時に発生する可視光のレーザ光 源が実現できる。このレーザ光源をディスプレイ用途に用いることで、スペックルノイズ は大幅に低減され、高画質なディスプレイが実現できる。なお、励起部のレーザ媒質 としては、材料または組成、およびそれぞれのレーザ媒質の混合によっても発振波長 を変えることができる。さらに発振波長だけでなく発振スペクトルを広げることも可能と なる。発振波長を広げ、かつそれぞれの励起部が異なる波長を発生することでスぺッ クルノイズの抑圧効果はさらに増大する。アモルファス材料は、異なる結晶の混合が 容易であり、発振波長、発振特性の分布を容易に形成できる。またコストも安いため、 有用である。さらに、レーザ結晶における励起部以外の部分を熱伝導の高い YAG材 料などにして、励起部のみを異なる材料にすることで、放熱特性が高まり高出力でも 安定な出力特性が得られる。
[0095] また、図 14 (b)はレーザ結晶の他の例の断面構造に示す。図 14 (b)に示すように、 固体レーザを、異なるレーザ結晶を用いる構成も可能である。図 14 (b)では、固体レ 一ザ 4bは、異なるレーザ結晶 144, 145, 146力らなり、各励起咅^ 41 , 142, 143 がそれぞれ異なるレーザ結晶 144， 145, 146内にある。これによつて、各励起部で は、異なるレーザ発振が可能となり、スペックルノイズの抑圧が可能となる。なお、励 起部での発振波長は、これを構成するレーザ媒質の材料または組成、及びレーザ媒 質の混合結晶によっても変えることができる。
[0096] このように本実施の形態 2によるレーザ光源 103bでは、複数の半導体レーザ 2と、 固体レーザ 4と、波長変換素子を構成する非線形材料 3と、前記固体レーザ 4の一方 の面に形成された反射コート 5と、前記非線形材料 3の一方の面に形成された反射コ ート 6と、を備え、前記両反射コートの間に、前記固体レーザ 4と前記波長変換素子 3 とが配置され、前記両反射コートはほぼ平行に配置されてレーザ共振器を構成し、 前記複数の半導体レーザ 2により前記固体レーザ 4の複数の励起部 8が励起され、 前記複数の励起部 8が互いに 300 μ m以上離れているので、 P 接する励起部間で の熱的影響を緩和して、安定した横モードでのレーザ発振を行うことができる。
[0097] 図 4 (a)は本発明の実施の形態 2によるレーザ光源の他の例を示す上面図であり、 図 4 (b)はその側面図であり、図 4 (c)はその側面図である。
[0098] これらの図に示すレーザ光源 103cでは、ヒートシンク lcに段差を付けて、半導体レ 一ザ 2を段違いに実装している。ヒートシンクに段差を付けることで、半導体レーザ間 の熱的な影響が少なくなり、それぞれの半導体レーザの発振が安定する。また表面 積も大きくなるので冷却効果により半導体レーザの寿命が延びる。さらに固体レーザ を立体的に配置することで、同じ大きさで固体レーザの発光点距離を大きくできるた め、小型化に有効である。さらに、隣接した励起部間でレーザ発振が生じる結晶面内 でのレーザ発振を抑圧することが可能となり、面内共振によるレーザの発振損失を低 減できるため、効率の高い構成が実現できる。
[0099] 図 12 (c)は、本発明の実施の形態 2に係るレーザ光源のレーザ結晶の一例を示す 図であり、この図を用いて、固体レーザを複数の励起部で励起する構成において、 励起部の温度が異なるように設定する構成について述べる。
[0100] 図 12 (c)では、隣接する励起部間の距離を各励起部の温度が異なるよう設定して いる。つまり、固体レーザ 4fの中央に位置する励起部 142と、その一方側に位置する 励起部 141との距離 L1は、固体レーザ 4fの中央に位置する励起部 142と、その他 方側に位置する励起部 143との距離 L2とは異なっている。
[0101] 図に示したように、励起部は励起スポットで表されるが、この励起部間の距離が互 いに異なる場合において励起部の温度が異なる。なお、各励起部は、固体レーザ 4 の側面からの距離が違うものであってもよい。その他、励起部の励起パワー密度や、 励起スポットの大きさを複数の励起部で異なるように設定することも有効である。この 場合は励起用半導体レーザおよび集光光学系の設計により可能になる。このような 構成によって、励起部の温度を互いに異なるようにすることで、固体レーザの各励起 部は発振波長がわずかに異なる波長で発振する。また温度の違いにより発振するス ベクトルの形状も異なる。波長の違いは lnm以下の値である力 互いに異なる発振 波長または発振スペクトルで発振することで、波長変換された高調波の光も異なる波 長またはスペクトルで発生する。この光をディスプレイ用の光源として用いることで、 複数の光の干渉が低減され、干渉によって発生するスペックルノイズが低減できる。
[0102] 図 12 (a) ,図 12 (b)は、本発明の実施の形態 2に係るレーザ光源のレーザ結晶の 他の例を示す図であり、これらの図を用いて、固体レーザでの異常なレーザ発振を 抑制する構成にっレ、て述べる。
[0103] 図 12 (a)において、 4dは固体レーザであり、 121 , 122は上記固体レーザ 4dとして のレーザ結晶の側面、 123, 124は上記固体レーザ 4dとしてのレーザ結晶の上面， 下面、 125は固体レーザの励起部分である。
[0104] レーザ媒質としての固体レーザ 4dを半導体レーザにより励起した場合に、励起部 にて共振器長方向のレーザ発振が励起されることで、共振器を構成する反射ミラー 間でレーザ光が共振する。ところが、励起光が強くなるとレーザ結晶 4dの両側面 121 ， 122の間で異常なレーザ発振 (レーザ結晶の面内共振） 126が発生する。このよう なレーザ発振が発生すると損失となるため、レーザの発振効率が大幅に低下する。 本発明では固体レーザ結晶を多点で励起するため、共振器長方向と垂直な方向に レーザ発振 126が誘起されやすい。これを防止するため、本発明では、レーザ結晶 の側面 121と側面 122をこれらが非平行になるように設計してレ、る。このように非平行 にすることで異常なレーザ発振が抑圧され安定した発振が可能となった。さらに側面 を砂状にしてその面での反射率を低減するのも有効である。
[0105] また、図 12 (b)に示す構成の固体レーザ 4eも有効である。図 12 (b)では図 4に示 す構成を利用して励起部 125を交互に段違いに設定している。これによつて、 する励起部間での相互作用による異常なレーザ発振 126を防止できる。また、励起 部間に溝 127も形成している。溝としては側面 121 , 122と非平行にすることでより効 果が強くなる。溝によって励起部間が分断されることで面内での異常なレーザ発振を 防止でき、安定な高効率が得られる。また、固体レーザ結晶に溝を入れることは、非 線形光学結晶とレーザ結晶を張り合わせる場合に熱膨張の違レ、を緩和するのにも有 効である。非線形光学結晶として Mgドープ LiNb〇3と、レーザ結晶とでは 2倍前後 の熱膨張係数の差がある。このため、結晶同士を張り合わせた後、レーザの励起等 で温度が上昇すると熱膨張の違いにより接合がはがれたり、ひずみが生じる場合が ある。これに対して、結晶に溝を入れると熱膨張の差による歪を吸収できるため、温 度変化に強い構成が実現できる。さらに、励起部間の熱の伝導を防ぐ効果もある。
[0106] (実施の形態 3)
図 5は本発明の実施の形態 3によるレーザ光源を説明する図であり、図 5 (a)はその 表面図であり、図 5 (b)はその側面図である。
[0107] 図において、 103gは、この実施の形態 3によるレーザ光源であり、このレーザ光源
103gは、図 2に示す実施の形態 2のレーザ光源 103bにおいて、固体レーザ 4及び 波長変換素子 3を冷却するヒートシンク 7を備えたものであり、ここで、ヒートシンク 7は 、共振器部を構成する固体レーザ 4及び波長変換素子 3の上下に、これらに跨るよう 取り付けられている。なお、その他の構成は、実施の形態 2のものと同一である。
[0108] 次に、作用効果について説明する。
図 5に示されるレーザ光源は、固体レーザ 4の上下にヒートシンク 7を配置して、出 力の安定化を図っている。固体レーザ 4は励起半導体レーザ 2の光を吸収して 1. 06 μ ηの光に変換するが、変換効率は 50%程度であり、励起された光の半分は熱に 変わる。この熱による熱レンズ効果で固体レーザでのレーザ発振を安定化させてレ、る 力 隣接する励起部の影響を抑圧する必要がある。ここでは、この問題を解決するた め、固体レーザ部分にヒートシンク 7を設けている。ヒートシンク 7により固体レーザで 発生する熱を十分外部に放熱できるため、全体の小型化が可能となる。
[0109] なお、上記実施の形態 3では、ヒートシンク 7は固体レーザ 4の上下に配置している 力 ヒートシンク 7の配置はこれに限るものではない。
[0110] 例えば、図 5に示すレーザ光源において、さらに図 6に示すように、ヒートシンク 7aを 固体レーザの両側面側に、ヒートシンク 7bを固体レーザにおける励起部間に設ける ことでより高い冷却能力が実現される。これによつてさらなる高出力化が可能となる。
[0111] また、さらなる高出力化を図った場合には、固体レーザから非線形光学結晶への熱 の伝導が問題となる。固体レーザ結晶は 10°Cから数 10°C温度が上昇するため、非 線形結晶の温度が伝わると特性が不安定になり、位相整合がはずれて出力が低下 するといつた問題が生じる。これを防止するには、図 6に示すレーザ光源において、 図 7に示すように、さらに固体レーザ 4と非線形材料 3の間に熱分離層 12を設ける構 成が有効である。熱分離層としては、空気層が断熱効果が高く有効である。また YA G等の透明で熱伝導度の高レ、材料を挟み込んで、熱をヒートシンクから逃がす構成 も有効である。
[0112] また、半導体レーザと固体レーザの間での熱の伝導はレーザ発振を不安定にする 。このため半導体レーザが固定されているヒートシンクと固体レーザとの間は熱分離 するのが好ましい。具体的にはセラミック材料等の熱伝導の低い材料を介して互いを 固定することが望まれる。
[0113] なお、上記実施の形態 3では、レーザ光源は、実施の形態 2のレーザ光源において ヒートシンク 7を備えたものとしている力 S、実施の形態 3のレーザ光源は、実施の形態 1のレーザ光源においてヒートシンク 7を備えたものでもよい。
[0114] また、上記実施の形態 3におけるポンプレーザとしての半導体レーザに代えて、ファ ィバーアレイを用いる構成も有効である。
[0115] (実施の形態 4)
図 15は本発明の実施の形態 4によるレーザ光源を説明する図であり、図 15 (a)は その表面図であり、図 15 (b)はその側面図である。
[0116] この実施の形態 4のレーザ光源 103iは、図 1に示す実施の形態 1のレーザ光源 10 3aにおいて、半導体レーザ 2により直接固体レーザ 4を励起するようにしているのに 代えて、光ファイバ 153を介して半導体レーザ 152からの励起光を固体レーザ 4に導 入するようにしたものであり、その他の構成は、実施の形態 1のものと同一である。
[0117] ここでは、 3つの光ファイバ 153と、励起光を発生する 3つの半導体レーザ 152とに よりポンプ光源が構成されており、半導体レーザ 152からの光をファイバー 153で、 共振器構造の固体レーザ部 4に導いている。このようなポンプ光源としてファイバーァ レイを用レ、る構成も、安定な高出力特性を実現する上で有効である。
[0118] ここで、複数のファイバー 153の一端 154は、図 15 (b)に示すようにアレイ状に並ん でおり、固体レーザ 4は、 3つのファイバー 153のアレイ状に並んでいる一端 154に接 近して配置されている。また、各ファイバ 153の他端は、図 15 (a)に示すように離れて 位置している。励起光を発生する各半導体レーザ 152は、それぞれのファイバー 15 3の他端に結合しており、互いに熱の影響を受けない程度に距離を離して設置して いる。これによつて、水冷やペルチヱなどの冷却装置を用いなくても数 Wの半導体レ 一ザを複数用いることが可能となる。
[0119] また、ここでは、各ファイバー 153の一端 154は、そのコア 151の間隔が約 200 μ m 程度となるよう離してアレイ状に配置している。これによつて、固体レーザ 4の励起部 分は互いに離れた位置に位置するよう設計できる。固体レーザ 4の複数の励起部間 での熱の影響を避けることで、高出力の可視光発生が可能となる。また、同時に複数 の半導体レーザをそれぞれ分離させて設置することで、放熱効果が向上し、空冷で の高出力化が実現できる。さらに固体レーザと半導体レーザとの距離を離すことがで きるので、半導体レーザの熱が固体レーザに影響することがなくなり、固体レーザの 放熱が容易になるという利点も有する。本構成では、固体レーザの隣接する励起部 間、及び波長変換素子の隣接する波長変換部の間に、熱の影響を分離できる程度 の距離を確保することで、安定な高出力特性が得られる。
[0120] なお、ファイバーを用いる場合、ファイバーにグレーティング構造を形成したフアイ バーグレーティングを用いることで、半導体レーザに特定波長を帰還して、固体レー ザの発振波長を固定することも可能である。また、ファイバ一としては、偏波保持ファ ィバーを用いて、偏光を固定するのが望ましい。用いるファイバ一としては、コア径が 50〜100 x m程度のマルチモードファイバーである。コア径が大きいと伝搬するレー ザ光のマルチモードの本数が大きくなり、偏波保持が難しくなるので、コア径は 100 x m以下に抑えるのが好ましい。このため、励起用の半導体レーザのストライプ幅も 1 00 μ m以下にすることで、ファイバーとの結合損失を低減できる。
[0121] (実施の形態 5)
図 13は本発明の実施の形態 5によるレーザ光源を説明する図であり、図 13 (a)は その表面図であり、図 13 (b)はその側面図である。
[0122] 本実施の形態 5のレーザ光源 103jは、図 5に示す実施の形態 3のレーザ光源 103 gにおいて、半導体レーザ 2の光出射側に狭帯域の波長フィルタ 133を配置し、半導 体レーザ 2の発振波長をロックするようにしたものである。 [0123] ここで、上記狭帯域の波長フィルター 133の一方の端面側にマイクロレンズアレイ 1 31が配置され、もう一方の端面側にはマイクロレンズアレイ 132が配置されている。
[0124] このような構成のレーザ光源 10¾では、励起用半導体レーザ 2からの出力をマイク 口レンズアレイ 131でコリメートし、波長フィルター 133を通った後、マイクロレンズァレ ィ 132で、固体レーザ 4の端面に集光している。波長フィルター 133は狭帯域特性を 有しており、波長フィルター 133を通過した光が固体レーザ端面で反射されて半導 体レーザ 2に帰還することで、波長フィルター 133の透過波長に半導体レーザ 2の発 振波長を固定できる。これによつて、外部温度が変動しても半導体レーザの発振波 長が揺らぐことなくレーザ発振をするので、安定した固体レーザ出力を得ることができ る。
[0125] (実施の形態 6)
図 8は本発明の実施の形態 6によるレーザ光源を示す表面図であり、図 8 (a)はそ の表面図であり、図 8 (b)はその側面図である。
[0126] 図 8において、 103kは本実施の形態 6のレーザ光源であり、このレーザ光源 103k は、図 2に示す実施の形態 2のレーザ光源 103bにおいて、半導体レーザ 2を実装し たヒートシンク 1を、該半導体レーザ 2の光軸が固体レーザ 4の光入射端面に対して 斜めになるよう傾けて配置したものであり、その他の構成は実施の形態 2のものと同 一である。
[0127] 本実施の形態のレーザ光源 103kは、マイクロチップレーザと呼ばれるものであり、 このマイクロチップレーザの構成は、半導体レーザにより固体レーザの端面を直接励 起する構成であり、小型化、低コストィ匕に有効である。固体レーザ 4の端面と半導体レ 一ザ 2の距離は 50〜： 100 μ m程度であり、固体レーザ内で励起されるレーザ発振の 横モードと、半導体レーザの励起光の強度分布が近い場所で励起効率が最大となる 。半導体レーザが劣化する要因として、レーザの戻り光による影響が大きい。固体レ 一ザ 4の端面で反射された光は半導体レーザの活性層に帰還する。反射戻り光があ ると半導体レーザの出力が不安定になり、かつ寿命も大幅に低下する。これに対して 、半導体レーザの活性層を固体レーザ端面に対して僅かに傾けると、戻り光が大幅 に低下する。これによつて、出力の安定化と、長寿命化が図れる。また、固体レーザ 端面でのビームスポットの小型化が可能となるため、励起効率が向上するといつた利 点もある。
[0128] なお、半導体レーザ 2の光軸を固体レーザ 4の端面に対して傾ける角度は 0. 5度 以上が好ましぐ 3度以上がさらに好ましい。
[0129] また、本実施の形態 6では、実施の形態 2のレーザ光源において、半導体レーザ 2 の光軸を固体レーザ 4の端面に対して傾けたものを示した力 この実施の形態 6のレ 一ザ光源は、上述した実施の形態 2以外の実施の形態において、半導体レーザ 2の 光軸を固体レーザ 4の端面に対して傾けたものでもよい。
[0130] (実施の形態 7)
図 18は本発明の実施の形態 7によるレーザ光源を説明する図であり、図 18 (a)は その表面図であり、図 18 (b)はその側面図である。
[0131] 図において、 103mは本実施の形態 7によるレーザ光源であり、このレーザ光源 10 3mは、レーザ発振を行う固体レーザ 4と、該固体レーザ 4に近接させて配置した波長 変換素子 181と、ヒートシンク 1上に固定された、固体レーザ 4を励起する複数の半導 体レーザ 2とを有している。
[0132] ここで、固体レーザ 4は、その励起光の入射側端面に反射コート 6が形成されたもの であり、該励起光の光軸と平行な両側面にはヒートシンク 71aが取り付けられている。 この固体レーザ 4では、上記複数の半導体レーザ 2からの励起光により励起される複 数の励起部が、ヒートシンク 1上での半導体レーザ 2の配列方向と平行な方向に一直 線上に並んでおり、 P 接する励起部間は、ヒートシンク 71bにより熱分離されている。
[0133] また、上記波長変換素子 181は非線形光学結晶からなり、レーザ光の出射側端面 に反射コート 5が形成され、その反対側の端面が、出射側端面に対して斜めに傾くよ う加工されたものである。この波長変換素子 181は、その光軸である非線形光学結晶 の X軸が、半導体レーザ 2からの励起光の光軸に対して所定の角度 θ 1をなすよう傾 けて配置されており、その両側面にはヒートシンク 72aが、その上面側及び下面側に はヒートシンク 72bが取り付けられてレ、る。
[0134] そして、前記両反射コート 5及び 6と、これらの間に配置された固体レーザ 4及び波 長変換素子 181とによりレーザ共振器が構成されてレ、る。 [0135] なお、ここでは、固体レーザ 4側のヒートシンクと波長変換素子 181側のヒートシンク とは、別体としている力 これらのヒートシンクは一体に形成してもよい。
[0136] 次に作用効果について説明する。
波長変換素子 181を構成する非線形光学結晶の一方の端面を入射光の光軸に対 してブリュースター角をなすよう研磨することで基本波の反射を低減し、同時に、偏光 分離特性を向上することで出力の安定性を向上させることが可能となる。
[0137] 非線形光学結晶 181の光軸が入射光の光軸に対してブリュースター角をなすよう にすることで紙面に平行な偏光成分の反射率はほぼゼロになり、共振器損失が低減 するため、他の偏光の発振を抑圧できる。ここでは、非線形材料 181として周期状の 分極反転構造を有する PPMgLNを用いた。結晶の鋭角を約 65度として、結晶の X 軸と光軸の成す角 θ 1を 25度程度に設定すると、波長 1064nmの基本波に対して ブリュースター条件を満足できる。このとき、緑色光は図に示すように約 25度の方向 に発生する。非線形光学結晶 181の光軸と入射光の光軸とのなす角度をブリュース ター角に設定すると、非線形光学結晶の端面での無反射コートが必要なくなるため、 低コスト化が実現できる。また、従来の KTPでは、非線形光学定数が低いため結晶 長が数 mm必要であり、さらに非線形光学結晶 181を図 18のように斜め配置にすると 、共振器長が長くなる。このため、共振器の安定性が低下、変換効率も低くなるなど の問題が生じていた。これに対して PPMgLNは、非線形定数が大きいため、結晶長 は lmm以下でも高い変換効率が得られる。このため、図 18のように非線形光学結晶 181を斜め配置にしても、共振器長を 2mm以下に設定することが可能となる。これに よって、共振器の安定化を実現できるという利点を有する。
[0138] さらに、固体レーザ結晶、 PPMgLN結晶の対向する面を互いにブリュースター角 をなすよう傾斜させる構成も有効である。
[0139] (実施の形態 8)
図 19は本発明の実施の形態 8によるレーザ光源を説明する図であり、図 19 (a)は その表面図であり、図 19 (b)はその側面図である。
[0140] 図において、 103ηは本実施の形態 8によるレーザ光源であり、このレーザ光源 103 ηは、レーザ発振を行う固体レーザ 4と、該固体レーザ 4に近接させて配置した波長 変換素子 182と、ヒートシンク 1上に固定された、固体レーザ 4を励起する複数の半導 体レーザ 2とを有している。
[0141] そして、この実施の形態 8では、固体レーザ 4と半導体レーザ 2との間には、狭帯域 の波長フィルタ 133を配置し、半導体レーザ 2の発振波長をロックするようにしている 。この狭帯域の波長フィルター 133の一端面側にはマイクロレンズアレイ 131が配置 され、もう一方の端面側にはマイクロレンズアレイ 132が配置されている。
[0142] また、上記固体レーザ 4は、その励起光の入射側端面に反射コート 6が形成された ものであり、この固体レーザ 4では、上記複数の半導体レーザ 2からの励起光により励 起される複数の励起部が、ヒートシンク 1上での半導体レーザ 2の配列方向と平行な 方向に一直線上に並んでおり、これらの励起部は、実施の形態 2と同様、互いに 300 μ η以上離れている。また、上記波長変換素子 182は実施の形態 7における波長変 換素子 181と同一のものである。そして、上記固体レーザ 4及び波長変換素子 182 の上面側及び下面側には、これらに跨るようヒートシンク 73が取り付けられている。
[0143] この実施の形態 8では、固体レーザ 4における複数の半導体レーザ 2により励起さ れる複数の励起部が互いに 300 μ m以上離れているので、隣接する励起部間での 熱的影響を緩和して、安定した横モードでのレーザ発振を行うことができる。
[0144] また、この実施の形態 8では、実施の形態 7と同様、基本波の反射低減、かつ偏光 分離特性の向上により出力の安定性を向上させることができ、さらに、励起用半導体 レーザ 2の光出射側に狭帯域特性を有する波長フィルター 133を配置し、半導体レ 一ザ 2の発振波長をロックするようにしているので、上記半導体レーザは、外部温度 が変動しても半導体レーザの発振波長が揺らぐことなくレーザ発振をすることとなり、 これにより安定した固体レーザ出力が得られる。
[0145] (実施の形態 9)
図 20は本発明の実施の形態 9によるレーザ光源を説明する図であり、図 20 (a)は その表面図であり、図 20 (b)はその側面図である。
[0146] 図において、 103pは本実施の形態 9によるレーザ光源であり、このレーザ光源 103 pは、レーザ発振を行う固体レーザ 202と、該固体レーザ 202に近接させた配置した 波長変換素子 201と、ヒートシンク 1上に固定された、固体レーザ 202を励起する複 数の半導体レーザ 2とを有している。
[0147] ここで、固体レーザ 202は、その励起光の入射側端面に反射コート 6が形成され、 その反対側の光出射端面が、入射側端面に対して斜めに傾くよう加工されたもので あり、この固体レーザ 202では、上記複数の半導体レーザ 2からの励起光により励起 される複数の励起部が、ヒートシンク 1上での半導体レーザ 2の配列方向と平行な方 向に一直線上に並んでおり、これらの励起部は、実施の形態 2と同様、互いに 300 μ m以上離れている。また、上記波長変換素子 201は非線形光学結晶からなり、レー ザ光の出射側端面に反射コート 5を形成し、その反対側の光入射側端面を、上記固 体レーザ 202の傾斜させた端面と平行になるよう加工したものである。
[0148] そして、固体レーザ 202及び波長変換素子 182の上面側及び下面側には、これら に跨るようヒートシンク 74が取り付けられている。
[0149] 次に作用効果について説明する。
この実施の形態 9では、固体レーザ 202における複数の半導体レーザ 2により励起 される複数の励起部が互いに 300 / m以上離れており、これにより、隣接する励起部 間での熱的影響を緩和して、安定した横モードでのレーザ発振を行うことができる。
[0150] また、固体レーザ 202を構成する光学結晶として Nd : YVOを用い、波長変換素子
4
を構成する非線形光学材料 3には、 PPMgLNを用いた。 Nd :YVOと PPMgLNは 1
4
064nmの基本波に対してほぼ等しい屈折率を有する。このため、図 20に示すように 、固体レーザ 202と波長変換素子 201とでブリュースター角をほぼ等しくできる。この ため、固体レーザ 202及び波長変換素子 201を含む共振器部分の構成が簡単にな り、共振器の位置あわせが容易になるという利点を有する。また、固体レーザ結晶、 非線形材料ともに、対向する面の AR (Anti Reflection)コートが不要になるため、 低コスト化、信頼性向上が可能となる。さらに、反射コートによるロスがほとんど無視で きるほど小さくできるため、レーザの発振効率を高めることも可能になる。また共振器 の構成では PPMgLN以外に、周期分極反転構造を有する Mgドープ LiTaO (PPM
3 gLT)も利用できる。 PPMgLTは吸収ロスが小さいため、高出力特性を実現できる。
[0151] また、この実施の形態 9では、図 13に示した実施の形態 5のレーザ光源 10¾と同様 に、励起用半導体レーザ 2に光出射側に狭帯域特性を有する波長フィルター 133を 配置し、半導体レーザの発振波長を固定するようにしているので、外部温度が変動し ても半導体レーザの発振波長が揺らぐことはな 安定した固体レーザ出力が得られ る。
[0152] なお、本実施の形態では、半導体レーザの波長固定に狭帯域フィルターを用いた 力 フィルターの代わりに体積グレーティングを用いることも可能である。グレーティン グのブラッグ反射を利用した体積グレーティングは、狭帯域フィルターに比べて、透 過損失が少ないため、より効率の高い光源が実現できる。
[0153] (実施の形態 10)
図 9は本発明の実施の形態 10によるレーザ光源を説明する図であり、図 9 (a)はそ の表面図であり、図 9 (b)はその側面図である。
[0154] 本実施の形態 10のレーザ光源 103qは、図 5に示す実施の形態 3のレーザ光源 10 3gにおいて、半導体レーザ 2の裏面側に体積グレーティング 10を配置し、半導体レ 一ザ 2の発振波長をロックするようにしたものであり、その他の構成は実施の形態 3と 同一である。
[0155] 次に作用効果について説明する。
半導体レーザ励起の固体レーザの問題として、固体レーザの吸収スペクトルが狭く 、外部の温度変化により半導体レーザの発振波長が固体レーザの吸収スペクトルか らずれることで出力が低下するという問題がある。この問題を解決する方法として、図 9に示す構成を提案する。構成としては、上記実施の形態 3で説明した半導体レーザ の裏面に体積グレーティング 10を設置する構成である。半導体レーザは、体積ダレ 一ティング 10からのブラッグ波長に固定されるため、外部の温度が変化しても波長が 変動しない。このため、安定した固体レーザ励起ができ、外部の温度変動による出力 の変動を大幅に抑えることができた。さらに、この構成においては、図 8で示した、半 導体レーザを固体レーザ端面に対して傾ける構成がより有効である。グレーティング の回折光により半導体レーザの発振波長を固定する場合、半導体レーザに他の反 射面からの戻り光が存在すると、安定な波長の固定が難しくなる。半導体レーザを固 体レーザの端面に対して傾けることで、固体レーザ端面からの半導体レーザへの戻 り光が低減できるので、安定な波長の固定が実現する。 [0156] 図 21は本発明の実施の形態 10によるレーザ光源の他の例を説明する図であり、 図 21 (a)はその表面図であり、図 21 (b)はその側面図である。
[0157] 図において、 103rはレーザ光源であり、このレーザ光源 103rは、図 20に示す実施 の形態 9のレーザ光源 103pにおいて、狭帯域の波長フィルタ 133に代えて体積ダレ 一ティング 211を備え、反射コート 6の表面の、半導体レーザ 2からの励起光を遮らな い位置にヒートシンク 213を配置したものである。また、このレーザ光源 103rでは、固 体レーザ 202と波長変換素子 201との間には熱分離層 212を配置し、固体レーザ 2 02と波長変換素子 201の側面に、これらに跨るようヒートシンク 75を配置している。
[0158] ここで、半導体レーザ 2は複数のストライプを有するマルチストライプの半導体レー ザであり、ヒートシンク 1上に固定されている。マイクロレンズアレイ 131 , 132により挟 まれた体積グレーティング 211は、半導体レーザ 2から発生したレーザ光のなかで、 特定波長を半導体レーザに帰還させるものであり、半導体レーザ 2の発振波長を体 積グレーティング 211の反射波長に固定することができる。これによつて、外部の温 度変化が生じても、半導体レーザの発振波長を固体レーザの吸収波長である 808η m近傍に固定することができ、安定な固体レーザの発振が実現できる。また、マイクロ レンズアレイを用いることで光学系の小型化が可能になる。
[0159] 固体レーザ 202と、波長変換素子 201としての非線形材料とは、熱分離層 212を挟 んで固定されている。熱分離層 212は空気層または熱伝導度の高い YAG結晶ゃダ ィャモンドなどが利用できる。熱分離層 212は固体レーザ 202の発熱が非線形材料 201に伝わるのを抑圧する。ここでは、熱分離層 212を固体レーザ 202の光軸に対し て斜めに配置することで、固体レーザ 202にて不要な偏光成分が発生するのを防い でいる。ヒートシンクは、固体レーザ 202の側面とマイクロレンズからの光で励起され る励起部の間の固体レーザ表面にも配置した。これによつて固体レーザ 202の励起 スポット間の熱の伝わりを大幅に低減でき、複数の励起部での熱の影響を抑圧して 大出力の複数レーザ発振が可能となる。
[0160] 熱分離層 212として YAG結晶やダイヤモンドを用いる利点は、熱の分離を可能に するのに加えて、固体レーザ 202および非線形材料 201で発生する熱をより広い部 分に分散して温度上昇を抑圧することができ、これによつて高出力化が可能になる点 、さらに、固体レーザ 202と非線形材料 201との距離を、熱分離層 212の厚みで正確 に制御できる点にある。レーザ発振の効率化には固体レーザ共振器の面精度が重 要である。熱分離層として平面度の高い基材を用いることで、作製精度が向上し、高 精度で共振器を作製することが可能となる。これによつて、作製歩留まりが向上する。
[0161] 図 22は本発明の実施の形態 10によるレーザ光源のその他の例を説明する図であ り、図 22 (a)はその表面図であり、図 22 (b)はその側面図である。
[0162] 図 22に示すレーザ光源 103sは、図 21に示すレーザ光源 103rにおいて、固体レ 一ザの光入射側の面に透明のヒートシンク 221を設けたものであり、また、このレーザ 光源 103sでは、固体レーザ 4及び波長変換素子 3には、これらを構成する結晶の端 面を斜めに加工した構造は取り入れてレヽなレ、。
[0163] このレーザ光源 103sでは、透明ヒートシンクとしてはダイヤモンド薄膜が好ましい。
熱伝導度が非常に優れており、固体レーザの温度上昇を抑圧でき、高出力化が可 能となる。また、隣接する励起部の間にはヒートシンク 213を設けて、熱の拡散効果を 高めて温度上昇を低減している。熱分離層 212を固体レーザ 4と非線形材料 3との間 に設けて、固体レーザ 4の熱が非線形材料 3に伝わるのを防止している。ここでは、 熱分離層を励起光の光軸に対して斜めに配置する構造を取り入れてレ、なレ、ので、偏 光分離は図 21に示すものに比べて悪くなるが、構成が簡単なため、作製が容易にな る。また、透明ヒートシンク 221とヒートシンク 213とを組み合わせて、複数の励起部に より波長変換することで高出力化が可能となる。
[0164] (実施の形態 11)
図 10は本発明の実施の形態 11によるレーザ光源を説明する図であり、図 10 (a)は その表面図であり、図 10 (b)はその側面図である。
[0165] 図において、 103tはこの実施の形態 11によるレーザ光源であり、このレーザ光原 1 03tは、図 2に示す実施の形態 2のレーザ装置 103bにおいて、ヒートシンク 1の裏面 側にも半導体レーザ 2を複数配置したものである。ここで、ヒートシンク裏面側の複数 の半導体レーザ 2は、これらの半導体レーザにより励起される固体レーザ 4における 励起部が互いに 300 z m以上離れ、かつ、ヒートシンク 1表面上に配置された複数の 半導体レーザ 2により励起される固体レーザ 4のいずれの励起部とも、 300 / m以上 離れるよう配置されている。
[0166] このような構成のレーザ光源 103tでは、ヒートシンク 1の上下に半導体レーザ 2が実 装されているので、より少ない体積で半導体レーザの実装密度が上がり、これにより 高効率なレーザ光源の小型化が図れる。
[0167] 図 11は本発明の実施の形態 11によるレーザ光源の他の例を説明する図であり、 図 11 (a)はその表面図であり、図 11 (b)はその側面図である。
[0168] 図において、 103uはレーザ光源であり、このレーザ光源 103uは、図 10に示す実 施の形態 11のレーザ光源 103tのヒートシンクの厚さを、固体レーザ側に近い部分ほ ど薄くなるようにしたものである。このレーザ光源 103uでは、ヒートシンク luはその表 面及び裏面が傾斜した構造となっており、このヒートシンクの表面に実装された半導 体レーザ 111からの励起光と、その裏面に実装された半導体レーザ 112からの励起 光を、固体レーザ 4における励起部 113に集中させることができる。これによつて励起 部 113のパワー密度を上げることができ、高出力のレーザ発振が可能となる。ヒートシ ンクとしては熱伝導度の高い材料が必要で SiC、ダイヤモンド、 Cu合金等が好ましい
[0169] なお、上述した各実施の形態のレーザ光源では、固体レーザでは、 3または 6の励 起部が励起されるものとした力 S、励起部の数は当然これに限定されるものではない。 また、各励起部の間隔も一定とは限らない。
[0170] (実施の形態 12)
図 16は本発明の実施の形態 12によるレーザ光源を説明する図であり、図 16 (a)は レーザ光源の全体図であり、図 16 (b)はその部分拡大図である。図 17は本発明の実 施の形態 20によるレーザ光源の他の例を説明する部分拡大図である。
[0171] 本実施の形態 12のレーザ光源 103vは、レーザ光を発生するファイバーレーザ 16 8と、ファイバーレーザ 168からのレーザ光の波長変換を行う波長変換素子 3とを有し ている。
[0172] ここで、上記波長変換素子 3は、非線形光学結晶からなり、その光入射面には、赤 外光を透過し、可視光を反射する反射コート 165が形成され、その光出射面には、 可視光を透過し、赤外光を反射する反射コート 164が形成されている。 [0173] また、ファイバーレーザ 168は、ポンプ光源 167と Ybドープのファイバーからなり、 その一端側がポンプ光源 167に結合され、他端側は、非線形光学結晶 3の光入射 面に近接し、 3つのファイバ一部 161に分岐された構造となっている。従って、このレ 一ザ光源は、波長変換素子 3が 3つの変換部を有するものとなってレ、る。
[0174] この実施の形態 12のレーザ光源 103vでは、図に示すように、ポンプ光源 167と Yb ドープのファイバーと力 なるファイバーレーザ 168で発生した光を、ファイバー 161 のアレイ構造により分岐して、非線形光学材料 3の複数箇所に導入している。複数の ファイバ一部 161からの光を、非線形光学材料 3の波長変換部 166で変換し、可視 のレーザ光 11を複数ビーム発生している。非線形光学材料 3のでの波長変換部は、 上記実施の形態 1で説明したように、熱による出力不安定現象が発生するため、各 変換部が 1Wを越える高出力を発生する場合、各変換部での出力を低減すると同時 に、各変換部の互いの熱の影響を抑圧するため、変換部の間隔を 100 /i m以上に 離すことが必要となる。
[0175] 本実施の形態 12では、ファイバーレーザ 168で発生した光を分岐する複数のファ ィバ一部 161には、コア径 8 x m、クラッド径 150 /i mのシングルモードファイバーを アレイ状に配置したものを使用した。ファイバーアレイのコア間隔は 150 μ ΐηであり、 変換部の間隔も 150 / mとなった。変換部の間隔が十分広いため、互いの熱の影響 を抑圧して、高出力な特性を安定に実現できた。ファイバーアレイへの基本波として は、ファイバーレーザ 168のものを用いた。ファイバーレーザは、横モードシングルの 高出力な基本波が得られるため、波長変換素子での高効率変換が可能となる。ボン プ光源 167からの出力は、ファイバーアレイ、つまり複数の分岐されたファイバ一部に よって複数に分散される。ファイバーレーザを構成するファイバーを分岐することで、 ファイバーレーザで発生した赤外光を分散させ、複数の波長変換部で可視のレーザ 光 11に波長変換することで、高出力の可視光を得ることができる。
[0176] ここで、波長変換素子 3における波長変換部は、幾つかの構成がとれるが、本実施 の形態では図 16 (b)に示すように、非線形光学材料の両面に反射コートを施した構 成としている。反射コート 164は、可視光を透過し、赤外光を反射する。一方反射コ ート 165は、赤外光を透過し、可視光を反射する。ファイバーレーザ 168から出た赤 外光の一部は波長変換素子 3で可視光に変換され、レーザ光 11となって反射コート 164を通過して出力される。変換されなかった赤外光は反射コート 164で反射される 力 反射された赤外光は再び波長変換素子 3を通過して可視光に変換される。可視 光に変換された光は反射コート 165で反射されて、反射コート 164を通過して外部に 出射される。このように反射膜を設けることで、赤外光は往復で波長変換されるため、 変換効率が大幅に向上する。
[0177] 一方、図 17に示すレーザ光源は、図 16に示す実施の形態 12のレーザ光源 103v において、反射コート 164及び 165に代えて、非線形光学結晶 3の両端に無反射コ ート 172, 173を施したものである。このような構成のレーザ光源においても、ファイバ 一レーザ 168の分岐されたファイバー 161からの赤外光は、非線形材料 3で可視光 に波長変換される。この場合、レーザ光源の変換効率は、図 16に示す実施の形態 1 2のものに比べて半分程度の変換効率となる力 その構成が単純で安定性に優れた レーザ光源を実現できる。
[0178] なお、本実施の形態 12では、ファイバーレーザとして、単一のファイバーレーザを 構成する光ファイバ一の一端側を複数に分岐したものを用いたが、このような単一の ファイバーレーザに代えて、複数のファイバーレーザを用いることも可能である。この 場合、複数のファイバーレーザの光出射側をアレイ状に配列し、これらのファイバー レーザからの光を、図 16 (b) ,図 17に示すように、波長変換することで高出力化が図 れる。このように複数のファイバーレーザを用いる場合は、より高出力の特性が得られ る点で有利である。さらに、複数のファイバーレーザの発振波長を異なる波長に選択 することで、波長変換された可視光を複数の波長を含むものとできる。この場合、波 長変換部の条件をそれぞれのファイバーレーザからの波長に一致するように、分極 反転の周期構造を設計する必要がある。異なる波長の可視光を発生することで、レ 一ザ光のスペックルノイズを低減でき、高画質の画像表示が可能となる。また、上記 のように、複数のファイバーレーザを発振波長が異なるものとする代わりに、複数のフ アイバーレーザをその波長スぺタトノレが異なるものとするようにしてもょレ、。
[0179] また、ファイバーと波長変換素子との間に集光光学系を設けることで、ファイバーか らの出射光を非線形材料 3の内部で集光し、変換効率の向上を図ることもできる。ま たこの場合、非線形材料 3を、ファイバーからのビームの光軸に対してわずかに傾け て配置することで、非線形材料からの反射光がファイバーへ戻るのを防ぐことができ る。ファイバーに強い基本波が戻ると、ファイバ一端面が損傷を受けたり、ファイバー レーザ自体またはファイバーレーザのポンプ光源が損傷を受けたりすることがあるの で、上記のように非線形材料 3をファイバーからのビームの光軸に傾けて配置するこ とは、戻り光を防止する有効な手段である。
[0180] なお、本実施の形態 12のレーザ光源は、波長変換素子が 3つの変換部を有するも のとしたが、変換部の数は当然これに限定されるものではなレ、。また、各変換部の間 隔も一定とは限らない。
[0181] (実施の形態 13)
図 23は本発明の実施の形態 13によるディスプレイ装置を説明する構成図である。 この実施の形態 13のディスプレイ装置 2000は、赤色光源 2003,青色光源 2002、 緑色光源 2001と、各光源からの光を合波するダイクロイツクミラー 2004と、入射した 光を拡散する拡散板 2006と、合波した光を拡散板 2006上に走査する走査ミラー 20 05と、前記拡散板 2006を通過した光をコリメート光にするフィールドレンズ 2007と、 該コリメート光の画像変換を行う SLM2008と、画像変換された光を投影する投射レ ンズ 2009とを有している。そして、この実施の形態 22では、上記緑色光源 2001に は、図 1に示す実施の形態 1のレーザ光源 103aを用いている。
[0182] このディスプレイ装置 2000では、図に示されるように、赤色光源 2003，青色光源 2 002、緑色光源 2001から出た光をダイクロイツクミラー 2004により合波し、走查ミラ 一 2005によって走查することで、画像変換素子である SLM2008の 2次元面内で均 一な光量分布を持つように、合波した光を広げている。また、拡散板 2006では照射 された光を散乱させ、走査ミラー 2005で時間的に拡散板での光の拡散状態を変え ることで、レーザ光により発生するスペックルノイズを低減している。フィールドレンズ 2 007で、拡散板を通過した光をコリメート光にし、 SLM2008で画像変換された光を 投射レンズ 2009により外部のスクリーンに投射している。単板の SLMを用いることで 小型化が可能である力 RGBのフルカラー表示を行うには、赤、青、緑の光を時間 的に切り替えて、それぞれの映像を投射するフィールドシーケンシャル方式による投 射が必要になる。 RGBの映像を時間分割で切り替えて投影する方式では、それぞれ の光源輝度には、連続して赤、青、緑の映像を投射してそれぞれを後で合成する方 式に比べて、高い輝度が必要となる。
[0183] また、本実施の形態 13では、赤色光源 2003，青色光源 2002には半導体レーザ を用い、緑色光源 2001には、本発明のレーザ光源である固体レーザと波長変換素 子とを組み合わせた光源を用いている。
[0184] これは、緑色は半導体レーザでの直接発振が難しぐ高出力で信頼性を有する光 源がないからである。フィールドシーケンシャル方式では、 RGBの切り替えは映像の 切り替えの 3倍の周波数での切り替えとなる。 1倍速の映像の場合、映像の切り替え は 60Hzであり、 RGBの光源はその 3倍の 180Hzで切り替える。このため映像を投射 する場合の光の切り替えのスイッチング速度は、数 100〜数 kHz程度と非常に遅い ので、光源の温度上昇が追従できる。このため、パルスによる光ピークパワー化は望 めず、光源には CW動作 (連続動作）での高出力特性が求められる。例えば 1001m の明るさの映像を投射するためには、緑色光源としては平均パワーでは 0. 5W程度 、ピークパワーでは 1〜2W程度の高出力のノ ルスを出力する必要があり、冷却機構 を有さない通常の固体レーザと波長変換素子とでは、安定した発振が難しい。その ため、本発明の複数の励起部を有する光源が非常に有効となる。複数の発光点によ つて、それぞれの発光点での輝度を下げることで、安定した発振が可能となり、かつ 全体の光量を高くすることができる。このため、ペルチヱ素子や水冷といった冷却装 置を必要とせず、小型化、低消費電力化が可能となる。平均パワーはそれほど大きく ないので、光源の消費電力を下げることが可能となり、光源の発熱を抑えた小型のデ イスプレイ装置が実現できるとレ、う利点を有する。
[0185] 本実施の形態 22によるディスプレイ装置は、 2次元画像変換素子により入射光を映 像化するため、光源が複数ビームを持つことによりビーム品質が劣化する弊害がない という特徴がある。複数ビームを持つことで、レーザ光の干渉性を低減することができ るため、スペックルノイズを低減でき、画像の劣化が防げるという利点を有する。
[0186] RGB光源としては、赤色 >緑色 >青色の順に消費電力が大きい。このため、小型 のディスプレイ装置の構成では、図 23に示したように、赤色と緑色の場所を離す構成 が望ましい。この構成によって光源間の発熱の影響を下げることができる。
[0187] なお、上記実施の形態 13のディスプレイ装置では、緑色光源 2001には、本発明 の実施の形態 1によるレーザ光源を用いている力 該緑色光源 2001には、本発明の 実施の形態 2ないし 12のいずれのレーザ光源を用いてもよい。
産業上の利用可能性
[0188] 本発明は、マイクロチップレーザを多発光させることで、高固体レーザ化を可能にし 、同時に固体レーザ内の縦モード、横モードの安定性を図ることで、出力安定化を図 る。出力変動の少ない高出力の小型レーザ光源が実現できるためその実用効果は 大きい。また、本発明のレーザ光源をディスプレイ装置に適用することで、小型のディ スプレイ装置が実現できるため、その実用効果は大きい。また、本発明のレーザ光源 をディスプレイ装置に適用することで、スペックルノイズの低減が可能となり高画質の ディスプレイ装置を実現できるため、その実用効果は大きい。

Claims

請求の範囲
[1] 複数の半導体レーザと、
固体レーザ媒質と、
波長変換素子と、
前記固体レーザ媒質の一方の面に形成された第 1の反射層と、
前記波長変換素子の一方の面に形成された第 2の反射層と、を備え、
前記第 1と第 2の反射層の間に、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子とが配 置され、
前記第 1の反射層と第 2の反射層は、両反射端面がほぼ平行なレーザ共振器を構 成し、
前記複数の半導体レーザにより前記固体レーザ媒質の複数の励起部が励起され、 前記複数の励起部が互いに 300 μ m以上離れている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[2] 3以上の半導体レーザと、
固体レーザ媒質と、
波長変換素子と、
前記固体レーザ媒質の一方の面に形成された第 1の反射層と、
前記波長変換素子の一方の面に形成された第 2の反射層と、を備え、
前記第 1と第 2の反射層の間に、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子とが配 置され、
前記第 1の反射層と第 2の反射層は、両反射端面がほぼ平行なレーザ共振器を構 成し、
前記 3以上の半導体レーザにより前記固体レーザ媒質の 3以上の励起部が励起さ れ、
前記 3以上の励起部は、同一直線上に位置しないよう配置されている、 ことを特徴とするレーザ光源。
[3] 複数の半導体レーザと、
固体レーザ媒質と、 波長変換素子と、
前記固体レーザ媒質の一方の面に形成された第 1の反射層と、
前記波長変換素子の一方の面に形成された第 2の反射層と、を備え、
前記第 1と第 2の反射層の間に、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子とが配 置され、
前記第 1の反射層と第 2の反射層は、両反射端面がほぼ平行なレーザ共振器を構 成し、
前記複数の半導体レーザにより前記固体レーザ媒質の複数の励起部が励起され、 前記複数の励起部が互いに熱分離機構により分離されている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[4] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記波長変換素子が複数の非線形光学結晶からなる、
ことを特徴とするレーザ光源。
[5] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記波長変換素子が一つの非線形光学結晶からなる、
ことを特徴とするレーザ光源。
[6] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質が複数の固体レーザ結晶からなる、
ことを特徴とするレーザ光源。
[7] 請求項 6記載のレーザ光源において、
前記複数の固体レーザ結晶は、その組成または材質の少なくともいずれかが異な るものである、
ことを特徴とするレーザ光源。
[8] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記励起部は 3以上あり、
各隣接する励起部の間隔が互いに異なっている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[9] 請求項 2記載のレーザ光源において、 さらにヒートシンクを備え、
前記ヒートシンクの表面には段差が形成され、
前記少なくともいくつかの半導体レーザは、前記ヒートシンク上の段差により異なる 高さに位置するよう前記ヒートシンク上に実装されている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[10] 請求項 3記載のレーザ光源において、
前記半導体レーザ及び前記固体レーザ媒質がそれぞれヒートシンクを備えたもの である、
ことを特徴とするレーザ光源。
[11] 請求項 10記載のレーザ光源において、
前記半導体レーザと前記固体レーザ媒質は、互いのヒートシンクが分離されている ものである、
ことを特徴とするレーザ光源。
[12] 請求項 3記載のレーザ光源において、
前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒質における複数の励起部の間に配置さ れたヒートシンク部を備えてレ、る、
ことを特徴とするレーザ光源。
[13] 請求項 3記載のレーザ光源において、
前記レーザ共振器は、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子との間に配置され た熱分離層を有する、
ことを特徴とするレーザ光源。
[14] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質はセラミック材料からなり、
前記固体レーザ媒質における複数の励起部の少なくとも 1つは、材質または組成の 少なくとも一方が、他の励起部とは異なり、
前記少なくとも 1つの励起部からは、他の励起部とは異なる波長のレーザ光を発生 する、
ことを特徴とするレーザ光源。
[15] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質の複数の励起部は、それぞれ発振状態において異なる温度 を有し、前記温度差により互いに異なる発振波長または発振スペクトルを有するレー ザ光を発振する、
ことを特徴とするレーザ光源。
[16] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
さらに光フィードバック素子を備え、
前記光フィードバック素子により前記半導体レーザの発振波長が固定される、 ことを特徴とするレーザ光源。
[17] 請求項 16記載のレーザ光源において、
前記光フィードバック素子が体積グレーティング、あるいは波長選択フィルタである ことを特徴とするレーザ光源。
[18] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
さらにファイバーアレイを有し、
前記複数の半導体レーザからの光が前記ファイバーアレイを介して前記固体レー ザ媒質に導入されて、該固体レーザ媒質を励起する、
ことを特徴とするレーザ光源。
[19] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質または前記波長変換素子の少なくとも一方が、
前記励起光源からの励起光の光軸に対して傾斜した端面を有している、 ことを特徴とするレーザ光源。
[20] 請求項 19に記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質または前記波長変換素子の少なくとも一方が有する傾斜した 端面が前記励起光の光軸となす角度は、
前記固体レーザ媒質の発振波長に対するブリュースター角となっている、 ことを特徴とするレーザ光源。
[21] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、 前記波長変換素子は非線形光学結晶であり、
前記非線形光学結晶が周期状の分極反転構造を有する Mg、 Zn， In、 Scの何れ かを含む LiNbOであり、
かつ前記非線形光学結晶の厚みが lmm以下である、
ことを特徴とするレーザ光源。
[22] 請求項 21記載のレーザ光源において、
前記非線形光学結晶に形成された分極反転構造の周期が、前記非線形光学結晶 内で分布を持っている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[23] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質は固体レーザ結晶であり、
前記固体レーザ結晶のいずれかの対向する側面が非平行である、
ことを特徴とするレーザ光源。
[24] 請求項 3記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質は固体レーザ結晶であり、
前記固体レーザ結晶の端面には、溝が前記隣接する励起部間に位置するよう形成 されている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[25] 請求項 24記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ結晶の端面に形成された溝と、該固体レーザ結晶の、励起光の光 軸と平行な側面とが非平行である、
ことを特徴とするレーザ光源。
[26] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ結晶の端面に前記半導体レーザからの光が斜めに入射するよう、 前記半導体レーザを傾けて配置した、
ことを特徴とするレーザ光源。
[27] 励起光源と、
固体レーザ媒質と、 波長変換素子と、を備え、
前記固体レーザ媒質は、前記励起光源により励起されることで、複数のレーザ光を 発生し、
前記波長変換素子は複数の波長変換部を備え、
前記複数のレーザ光は、前記波長変換素子の異なる波長変換部で短波長光に変 換され、
前記波長変換部は、互いに 100 x m以上離れている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[28] 請求項 27記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質がファイバーレーザである、
ことを特徴とするレーザ光源。
[29] 請求項 28記載のレーザ光源において、
前記ファイバーレーザからのレーザ光が複数のレーザビームに分割されている、 ことを特徴とするレーザ光源。
[30] 請求項 27記載のレーザ光源において、
前記固体レーザ媒質が複数のファイバーレーザからなる、
ことを特徴とするレーザ光源。
[31] 請求項 30記載のレーザ光源において、
前記複数のファイバーレーザからのレーザ光のうち、少なくとも 1つが異なる発振波 長または異なる波長スペクトルを有する、
ことを特徴とするレーザ光源。
[32] 請求項 27記載のレーザ光源において、
前記波長変換素子が周期状の分極反転構造を備えた非線形光学結晶からなる、 ことを特徴とするレーザ光源。
[33] 請求項 27記載のレーザ光源において、
前記波長変換素子が複数の非線形光学結晶からなる、
ことを特徴とするレーザ光源。
[34] 請求項 27記載のレーザ光源において、 前記波長変換素子が一つの非線形光学結晶からなる、
ことを特徴とするレーザ光源。
[35] 請求項 27記載のレーザ光源において、
前記波長変換素子は非線形光学結晶であり、
前記非線形光学結晶が周期状の分極反転構造を有する Mg、 Zn， In、 Scの何れ かを含む LiNbOであり、
かつ前記非線形光学結晶の厚みが lmm以下である、
ことを特徴とするレーザ光源。
[36] 請求項 35記載のレーザ光源において、
前記非線形光学結晶に形成された分極反転構造の周期が、前記非線形光学結晶 内で分布を持っている、
ことを特徴とするレーザ光源。
[37] 請求項 1, 2, 3, 27のいずれかに記載のレーザ光源と、
コリメート光学系と、
均一化光学系と、
2次元画像変換デバイスと、を備え、
前記レーザ光源からの複数のレーザビームは、前記均一化光学系により面内強度 分布が均一化され、前記 2次元画像変換デバイスにより画像に変換される、 ことを特徴とするディスプレイ装置。
[38] 請求項 37記載のディスプレイ装置にぉレ、て、
前記均一化光学系がロッドプリズムから構成されている、
ことを特徴とするディスプレイ装置。
[39] 請求項 38記載のディスプレイ装置にぉレ、て、
さらに光学素子を備え、
前記ロッドプリズムに入射するレーザ光の偏向、位相、偏光の少なくともいずれかを 前記光学素子により変調する、
ことを特徴とするディスプレイ装置。
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