(57)【要約】      （修正有）【課題】高い変換効率が得られる非線形光学素子の周期分極反転構造の擬似位相整合条件を満たしつつ、レーザ光の波長幅を数ｎｍにまで拡大するレーザ装置を提供する。【解決手段】複数の発光点１２を有する半導体レーザ１１と共にブラッグ反射構造１３を有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部１４と、基本波発生部１４から出射される複数の基本波Ｌ１の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造１６が、基本波Ｌ１の伝搬方向に沿って変化して形成される非線形光学素子１５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光点を有する半導体レーザとブラッグ反射構造とを有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部と、
前記基本波発生部から出射される複数の基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って変化して形成される非線形光学素子と、を備える
レーザ装置。
【請求項２】
前記分極反転構造は、前記複数の基本波のそれぞれの伝搬方向に沿って分極反転周期、分極反転デューティー又は分極反転初期位相のうち、少なくともいずれかが変化する構造である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記分極反転構造は、レーザ光の伝搬方向に沿って複数の分極反転領域が連結された構造を含み、
前記それぞれの分極反転領域内では分極反転周期が一定であり、且つ、少なくとも一組が互いに異なる周期である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記半導体レーザの複数の発光点は直線状に配列され、
前記ブラッグ反射構造は、前記発光点の配列方向に沿って反射波長が変化する周期構造を含み、
前記分極反転構造は、前記半導体レーザの複数の発光点の配列方向に沿って変化する周期構造を含む請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記分極反転構造は、擬似位相整合により波長変換できる波長帯域が、前記複数の基本波全体の波長帯域を含む構造である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記ブラッグ反射構造は、前記基本波に対する反射率が前記高調波に対する反射率より高く、前記高調波に対する透過率が前記基本波に対する透過率よりも高い構造である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記非線形光学素子は、前記半導体レーザと前記ブラッグ反射構造との間に配置され、前記基本波に対する透過率が前記高調波に対する透過率よりも高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも反射率が高い波長選択膜を備える請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記ブラッグ反射構造が、前記非線形光学素子の一部に形成される請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記ブラッグ反射構造が、電気光学効果により屈折率を変調する電極により形成される請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記非線形光学素子の前記ブラッグ反射構造を構成する領域に、複数のブラッグ反射条件を満たす周期の電極構造より成る電極部が設けられる請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
縦マルチモードの半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射される波長幅を持つ基本波を擬似位相整合によって高調波に変換する異なる分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って形成される非線形光学素子と、
前記非線形光学素子の前記半導体レーザからのレーザ光を入射する位置に設けられる前記基本波を透過する入射部と、
前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造と、を備える
レーザ装置。
【請求項１２】
前記非線形光学素子は、前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造により基本波が斜めに反射されることによって、２以上の異なる基本波伝搬経路及び２以上の異なる高調波出射経路を有する請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記非線形光学素子は、前記基本波の入射方向及び前記入射方向とほぼ垂直な素子幅方向に前記分極反転構造が変化し、前記基本波の伝搬経路に沿って異なる波長の基本波が波長変換される分極反転領域を含む請求項２又は１２のいずれかに記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記非線形光学素子は、基本波に対する一方向閉じ込めによる導波構造を有する請求項１２に記載のレーザ装置。
【請求項１５】
複数の発光点を有する半導体レーザとブラッグ反射構造とを有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部と、前記基本波発生部から出射される複数の基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って変化して形成される非線形光学素子と、を備えるレーザ装置を含む光源と、
前記光源から出射される光を信号に対応して制御する光変調部と、
光変調された変調光を外部に出力する投影光学系と、を備える
レーザディスプレイ装置。
【請求項１６】
複数の発光点を有する半導体レーザとブラッグ反射構造とを有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部と、前記基本波発生部から出射される複数の基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って変化して形成される非線形光学素子と、を備えるレーザ装置を含む光源を備える
レーザ照射装置。
【請求項１７】
縦マルチモードの半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される波長幅を持つ基本波を擬似位相整合によって高調波に変換する分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って形成される非線形光学素子と、前記非線形光学素子の前記半導体レーザからのレーザ光を入射する位置に設けられる前記基本波を透過する入射部と、前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造と、を備えるレーザ装置を含む光源と、
前記光源から出射される光を信号に対応して制御する光変調部と、
光変調された変調光を外部に出力する投影光学系と、を備える
レーザディスプレイ装置。
【請求項１８】
縦マルチモードの半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される波長幅を持つ基本波を擬似位相整合によって高調波に変換する異なる分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って形成される非線形光学素子と、前記非線形光学素子の前記半導体レーザからのレーザ光を入射する位置に設けられる前記基本波を透過する入射部と、前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造と、を備えるレーザ装置を含む光源を備える
レーザ照射装置。
【請求項１９】
複数の互いに異なる波長を有する基本波に対してブラッグ反射条件を満たす周期構造を備えるブラッグ反射構造と、
前記複数の基本波のそれぞれの伝搬方向において、前記基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転領域が前記伝搬方向に沿って変化して形成され、前記複数の基本波を擬似位相整合によってそれぞれ高調波に変換する分極反転構造と、を備える
非線形光学素子。
【請求項２０】
前記ブラッグ反射構造が、電気光学効果により屈折率を変調する電極を備える請求項２９に記載の非線形光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光点を有する半導体レーザ、又は縦マルチモードの半導体レーザから出射されるレーザ光を波長変換するレーザ装置、レーザディスプレイ装置、レーザ照射装置及び非線形光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光源は、広色域、高色純度、高効率なプロジェクションディスプレイ用光源として有用であり、色再現性、細密表現、局所輝度等において高品質の画像を提供することができる。しかしその光は高コヒーレント光であるために、被照射面に照射すると干渉性に起因するスペックルノイズが発生し、画像の品質劣化を生じてしまう。
【０００３】
このスペックルを抑制する方法としては、従来、レーザを高周波駆動する方法や、拡散板または拡散シートを振動させる方法、また、長さの異なるファイバーにレーザ光を一旦通してコヒーレンスを下げる方法等、外部光学素子を用いる方法が提案されてきた。また、発振波長幅が４ｎｍ程度にまで拡大した低コヒーレンス光を発する半導体レーザアレイを用いる手法も提案されている。
【０００４】
これら様々な方法の中でも、半導体レーザアレイによる波長幅拡大の手法は、部材点数の増加や駆動回路の大規模化を伴わないことから、安価な装置構成でスペックルノイズの低減ができるという利点がある。
【０００５】
ところでレーザには、その媒体によって固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、半導体レーザ、自由電子レーザ等があり、中でも半導体レーザは小型、軽量、低消費電力というディスプレイ用レーザ光源に好適な特性を備えている。しかし、赤・青・緑の光の３原色のうち緑の波長域を発振する半導体材料は、効率、信頼性において実用に足るものが未だに開発されていないのが現状である。
【０００６】
このため、赤外域のレーザ光を非線形光学素子によって波長変換することで、緑の波長域のレーザ光を得る手法が主に用いられている。例えば、波長１０６０ｎｍ帯の半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ：Diode Pumped Solid State Laser）を基本波として用いる。そして、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等の非線形光学結晶の２次高調波によって、波長５３０ｎｍ帯の緑色レーザ光を得ることができる（特許文献１参照）。
【０００７】
また、複数の波長の励起光を入射して波長変換する非線形光学媒質に、光の進行方向に複数の周期を有する周期変調構造を設けることで、任意の励起光波長数に対応した設計を可能とした波長変換装置が提案されている（特許文献２）。
更に、このように波長変換を行うレーザ装置において上述したスペックルの低減を図るために、光源として縦マルチモードのレーザ光を用いて波長変換するレーザ装置が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５２２４４５公報
【特許文献２】特許第３９７１７０８号公報
【特許文献３】特開２００７−１７３７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記手段により２次高調波を実用的な変換効率で得るためには、非線形光学結晶中の周期分極反転構造によって基本波と２次高調波を擬似位相整合させる必要がある。ある決まった周期の周期分極反転構造で擬似位相整合の条件を満たす基本波の波長幅は、有効な波長変換効率を得るのに必要な結晶長では０．１ｎｍ程度と比較的小さい。このため、上述したスペックル低減を目的として、例えば発振波長幅が発光点内で１ｎｍ程度、アレイ内で３ｎｍ程度と比較的広い半導体レーザアレイを基本波光源として用いると、擬似位相整合条件を全ての波長において満たすことができない。
【００１０】
半導体レーザアレイは波長幅が数ｎｍと広いことから前記スペックルノイズを低減する効果を持っている。しかし２次高調波への変換効率を上げるためにレーザ光の波長幅を狭めると、今度はスペックルノイズの低減を行うことができなくなる。
また、特許文献３に記載の技術では、縦マルチモードの半導体レーザと、基本波に対応した分極反転構造を複数備えることによって、擬似位相整合条件を満たすことのできる波長範囲を広げることができる。しかしながら、縦マルチモードレーザは波長のスペクトルが広くに分散しており、縦シングルモードと同じパワーで考えたときに分散したスペクトルのピークパワーですら低下してしまい、さらに中心波長から離れるほど低下してしまう。また対応して擬似位相整合する分極反転構造のスペクトルも広くに分散してしまう。
【００１１】
したがってこの場合、各波長に対して有効な分極反転構造の長さが限られ、結果として効率が非常に低いものになる。一般に波長変換の効率は入射パワー密度を上げることによって向上させることが出来るが、縦マルチモードレーザの場合、各波長に対するパワー密度は縦シングルモードレーザと比べて低い。また、一般に波長変換の効率は相互作用長、即ち結晶長を長くすることによって向上させることができる。しかし、高効率を求めて結晶長を長くすると波長変換特性により各周期構造に対する波長変換トレランスが減少する。それを補うために別の周期を持つ分極反転構造をさらに多く設ける必要が生じ、ますます素子は巨大化し実用的なレーザ装置を構成することが困難となる。また２次高調波への変換効率を上げるためにレーザ光の波長幅を狭めると、特許文献１に記載されているレーザ装置と同様、やはりスペックルノイズの低減を行うことができなくなる。
【００１２】
一方、特許文献２に記載された技術では、励起光の波長を変化させることを目的としており、複数の波長の変換光を効率よく同時に発生させる手段については言及されていない。スペックル低減を目的として、もし、複数の波長に対応した分極反転構造をもつ非線形光学素子の同一箇所に複数の励起光を入射すると、その箇所での複数の波長の光同士が相関しあって波長変換効率が低下することが予想される。
【００１３】
このように変換効率とスペックルノイズはトレードオフの関係にあり、高い変換効率と広い波長幅、および実用的な大きさを併せ持ったレーザを作製することは困難であった。したがって波長変換を前提とする例えば緑色の波長帯では、実用性の高いディスプレイ用レーザ光源となる、高い効率と広い波長幅を併せ持ち、スペックル低減に有利なレーザを作製することが困難であった。
【００１４】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、非線形光学素子における分極反転構造の擬似位相整合条件を満たしつつ、レーザ光の波長幅拡大を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明におけるレーザ装置は、複数の発光点を有する半導体レーザとブラッグ反射構造とを有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部を備える。またこの基本波発生部から出射される複数の基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造が、基本波の伝搬方向に沿って変化して形成され、複数の基本波を擬似位相整合によってそれぞれ高調波に変換する非線形光学素子を備える構成とする。
【００１６】
また、本発明の他のレーザ装置は、縦マルチモードの半導体レーザと、半導体レーザから出射される波長幅を持つ基本波を擬似位相整合によって高調波に変換する異なる分極反転構造が、基本波の伝搬方向に沿って形成される非線形光学素子と、を備える構成とする。
さらに、本発明におけるレーザディスプレイ装置及びレーザ照射装置では上記のレーザ装置を光源に用いる構成とする。
【００１７】
本発明は、上述したように非線形光学素子において、レーザ光の伝搬方向に沿って、異なる波長の基本波に対応して擬似位相整合する分極反転構造を設けるものである。したがって、前記各波長の光は非線形光学素子内の各光路において、それぞれの擬似位相整合条件を満たすことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数の発光点を有する半導体レーザを、前記ブラッグ反射構造にて少なくとも一組の互いに波長の異なるレーザ光に安定化させる。このため、異なる波長光それぞれの波長幅を、非線形光学素子の擬似位相整合条件を満たしうる波長幅内に収めることができる。
【００１９】
また、安定化された前記波長の異なるレーザ光が前記非線形光学素子によって一括してそれぞれの高調波に変換されるので、波長帯域に幅のあるレーザ光が得られる。
更に、縦マルチモードの半導体レーザから出射される光に対して、基本波の伝搬方向に沿って形成された波長幅を持つ基本波に対応した分極反転構造をもった非線形光学素子を有する。そしてこの非線形光学素子に設けられた基本波を透過するレーザ入射部と、非線形光学素子に設けられた基本波に対して高反射で高調波に対して高透過である構造によって、広い波長幅に渡って擬似位相整合を満たさせながら長い距離を伝搬させることができる。これにより、広い波長幅に渡って高調波を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置によって出射される各波長光の強度を表す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るレーザ装置に設ける非線形光学素子内において擬似位相整合を満たす伝搬方向の位置と波長の関係を表す図である。
【図５】Ａは波長変換効率のスペクトルを示す図である。Ｂは伝搬方向に均一な分極反転構造をもつ非線形光学素子、Ｃは伝搬方向に変化する分極反転構造をもつ非線形光学素子を表す概念図である。
【図６】Ａは本発明の第１及び第２の実施の形態に係るレーザ装置における波長変換可能な領域を示す説明図、Ｂは波長変換効率のスペクトルを示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図８】Ａは本発明の第３の実施の形態に係るレーザ装置における波長変換可能な領域を示す説明図、Ｂは波長変換効率のスペクトルを示す図である。
【図９】Ａは本発明の参考例における波長変換可能な領域を示す説明図、Ｂは波長変換効率のスペクトルを示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ装置における非線形光学素子にビーム幅を持つ基本波を入射する場合の説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図１４】本発明の第６の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図１５】本発明の第７の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成図である。
【図１６】本発明の一実施の形態に係るレーザディスプレイ装置の概略構成図である。
【図１７】本発明の一実施の形態に係るレーザ照射装置の概略構成図である。
【図１８】本発明の一実施の形態に係るレーザ照射装置の概略構成図である。
【図１９】比較例によるレーザ装置の概略構成図である。
【図２０】図１９に示すレーザ装置から出射される光の強度を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明を実施するための最良の形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（伝搬方向に分極反転周期及び分極反転デューティー比が変化する第１の例）
２．第２の実施の形態（伝搬方向に分極反転周期及び分極反転デューティー比が変化する第２の例）
３．第３の実施の形態（伝搬方向及びレーザアレイ配列方向に分極反転周期が変化する例）
４．第４の実施の形態（伝搬方向に分極反転の初期位相、又は分極反転デューティーが変化する例）
５．第５の実施の形態（ブラッグ反射構造の配置の変形例）
６．第６の実施の形態（ブラッグ反射構造と非線形光学素子とを一体化する例）
７．第７の実施の形態（縦マルチモードの半導体レーザを用いる例）
８．第８の実施の形態（レーザディスプレイ装置の適用例）
９．第９の実施の形態（レーザプリンタ装置の適用例）
１０．第１０の実施の形態（露光装置の適用例）
【００２２】
１．第１の実施の形態（伝搬方向に分極反転周期及び分極反転デューティー比が変化する第１の例）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるレーザ装置の構成図である。図１に示すように、このレーザ装置１０は、複数の発光点１２を有するレーザアレイより成る半導体レーザ１１とブラッグ反射構造１３とより成る基本波発生部１４を備える。この基本波発生部１４は、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する構成とされる。また、この基本波発生部１４から複数の基本波Ｌ１が出射される方向に、非線形光学素子１５が配置される。この非線形光学素子１５には、複数の基本波のそれぞれの伝搬方向において、これら基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造１６が基本波の伝搬方向に沿って形成される。この分極反転構造１６により、基本波発生部１４から出射される複数の基本波Ｌ１は擬似位相整合によってそれぞれ高調波、例えば２次高調波に変換される。
【００２３】
この例においては、複数の発光点１２を有する半導体レーザ１１として、７つの発光点１２が直線状に配列され、波長λ１〜λ７の異なる中心波長の光が発振される半導体レーザアレイを用いる例を示す。発光点１２の数や異なる波長の数はこの例に限定されるものではない。それぞれの発光点１２から発せられる光の波長差は、ディスプレイ用としてスペックルの低い光源を実現するためにはなるべく広い方がよい。しかし、波長差を大きくし過ぎると色再現性が低下すること、また半導体レーザ１１のゲイン帯域中心より大きくずれた波長の光を発振させると電気光変換効率が落ちてしまう。このため、アレイ内の最短波長と最長波長との差を例えば４ｎｍ以上６ｎｍ以下に設定することが好ましい。４ｎｍ未満ではスペックル低減効果が十分得られず、６ｎｍを超える場合は色再現性及び電気光変換効率が低下するためである。
【００２４】
このように、全体として例えば４〜６ｎｍの波長差を持ったレーザ光（図１の中心波長λ１〜λ７の各基本波Ｌ１）はブラッグ反射構造１３に入射され、それぞれ０．１ｎｍ程度の波長幅を持った光に安定化される。一般的なブラッグ反射構造には主に以下の２つの構造が挙げられる。一つは、半導体レーザ内の光発生領域内に形成するＤＦＢ（Distributed Feed Back）構造、半導体レーザ内の光発生領域外に形成するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）構造である。また他に半導体レーザ外に体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ：Volume Bragg Grating）等の回折格子を設置するＥＧ（External Grating）構造等がある。本発明ではいずれの構造を用いてもよい。本実施の形態ではＶＢＧを設置するＥＧ構造によるものを用いる場合を示している。このブラッグ反射構造１３は、半導体レーザアレイ１１の発光点１２が配列する方向に高屈折率材料と低屈折率材料の繰り返し周期が変化しており、その反射波長も発光点１２の配列方向すなわち素子幅方向に変化する。ブラッグ反射構造１３と半導体レーザ１１とは共振器を構成しており、素子幅方向に変化するそれぞれの波長の光がブラッグ反射して半導体レーザ１１の各発光点１２にフィードバックされる。そして各波長の反射光が半導体レーザ１１とブラッグ反射構造１３との間で共振し、ロックされるようになっている。
光源として波長をロックしない縦マルチモード光源のアレイのみを用いた場合は、非線形光学素子にて変換されない波長も存在するため効率があまり得られない。しかしながら本実施の形態では、このように非線形光学素子にて変換ができる波長に予め安定化させるため無駄を少なくすることができる。非線形光学素子にて全ての縦マルチモード光源の光を変換させようとすることによる、各波長に対する相互作用長の低下に伴う効率の低下も避けることができる。
【００２５】
こうして波長幅が整えられた各光線は非線形光学素子１５に入射され、波長が変換される。
非線形光学素子１５は、例えばＳＨＧ（第２高調波発生）、等の波長変換に用いられ、あるいは、基本波と発生した第２高調波の間の波長変換としてＴＨＧ（第３高調波発生）や、和周波発生や光パラメトリック発振等に用いられる。別の波長の光源を入射することにより前記様々な波長変換を実現してもよい。使用材料には分極反転のできる材料が選ばれ、ＫＴｉＯＰＯ４、ＲｂＴｉＯＰＯ４、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３等が挙げられる。またそのコングルーエント（一様融液）組成、そのストイキオメトリック（化学量論的）組成や、ＭｇＯ、ＺｎＯ等の添加物を添加した材料が挙げられる。
【００２６】
例えば、ＰＰ−Ｃ−ＬｉＮｂＯ３、ＰＰ−Ｃ−ＬｉＴａＯ３、ＰＰ−Ｓ−ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＳＬＮ）、ＰＰ−Ｓ−ＬｉＴａＯ３（ＰＰＳＬＴ）、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｃ−ＬｉＮｂＯ３等の結晶素子が利用可能である。また、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｃ−ＬｉＴａＯ３、ＰＰ−ＺｎＯ：Ｃ−ＬｉＮｂＯ３、ＰＰ−ＺｎＯ：Ｃ−ＬｉＴａＯ３、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｓ−ＬｉＮｂＯ３等の結晶素子も利用可能である。更に、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｓ−ＬｉＴａＯ３、ＰＰ−ＺｎＯ：Ｓ−ＬｉＮｂＯ３、ＰＰ−ＺｎＯ：Ｓ−ＬｉＴａＯ３、ＰＰ−ＫＴｉＯＰＯ４等の結晶素子も利用可能である。なおここで、「Ｃ」は「Congruent（一様融液）組成」、「Ｓ」は「Stoichiometric（化学量論的）組成」、「ＰＰ」は「Periodical Poling（周期分極反転）」を意味する。
【００２７】
一般に周期分極反転構造を有する非線形光学結晶は、従来の非線形光学結晶に比べて非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られるとともに、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であるため、低コスト化に有利である。特に、周期分極反転構造を形成する非線形光学材料として、気相平衡法処理（ＶＴＥ：Vapor Transport Equilibration）等により得られた化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）が好適である。このＰＰＳＬＴを用いる場合は、フォトリフラクティブ耐性がコングルーエント組成に比べて改善されるからである。このため長期信頼性に優れており、変換効率が高いデバイスが得られるので、数ワット以上の高出力光（２次高調波光等）を安定に得ることができる。
【００２８】
そして、本実施の形態における非線形光素子１５は、光（基本波）の伝搬方向にその分極反転周期が変化する構成となっている。また図１の例では、分極反転の幅自体は一定のまま周期が変化するので、分極反転のデューティー比も周期の変化に伴い変わっている場合を示している。このため、中心波長λ１〜λ７それぞれの光の光路上では周期及び分極反転のデューティー比が変化している。なお、図では変化を大きく誇張しており、数ｎｍの波長範囲での話であれば、その波長変化に見合った周期や分極反転デューティー変化をさせればよい。この周期及びデューティー比の変化量は、入射する波長λ１〜λ７全てのレーザ光の波長に対して擬似位相整合を満たすように設計される。したがって、複数の波長の光に対して擬似位相整合条件を満たす各周期及びデューティー比がそれぞれの光路内に部分的に形成されることとなる。つまり、複数の波長の光に対して擬似位相整合する分極反転構造１６を一つの非線形光学素子１５内に配置することができ、これにより各入射レーザ光を一括して２次高調波に変換することができる。なお、この例では分極反転の周期及びデューティー比が変化する例を示すが、求める擬似位相整合条件が得られれば、周期のみ、又はデューティー比のみ変化する構成でもよい。一般に、最適な変換効率を得るためのデューティー比は、例えば１次擬似位相整合であれば１：１などほぼ一定値となるが、変換スペクトルを変化させる場合にはその限りではない。そしてこの非線形光学素子１５において変換された２次高調波のみがフィルター１７を透過して外部に出射されるので、その結果、波長幅が２〜３ｎｍのレーザ光源が得られることとなる。なお、フィルター１７は波長変換され残った残留基本波を反射する以外に、吸収する、他の方向にビーム伝搬方向を変化させるなど、必要に応じ第２高調波光と分離できる機能を有するものである。図２は、図１に示すレーザ装置１０により得られる所望の波長幅を持つレーザ光のスペクトルを示す図である。この例では、λ１／２、λ２／２、・・・λ７／２の中心波長のスペクトルを持つ２次高調波が得られる。このレーザ装置１０をディスプレイ用の光源として用いることにより、スペックルノイズが低減され、高画質、高品質の映像が得られる。
【００２９】
なお、本例においては、上述したように非線形光学素子１５において基本波の伝搬方向に擬似位相整合条件が変化する構成としている。このため、図１に示す素子幅方向（半導体レーザアレイ１１の各発光点１２の配列方向）に擬似位相整合条件が変化する非線形光学素子を用いる場合と比べて、この素子幅方向についての光学的な位置調整が不要となる。基本波の伝搬方向（各光の光軸方向）についての位置調整のみを行えばよいので、レーザ装置１０の組み立て調整作業が格段に簡易化されることとなる。
【００３０】
これに対し、例えば図１７に示す比較例によるレーザ装置のように、非線形光学素子の周期が一定である場合は、出射されるレーザ光の波長はその周期の擬似位相整合条件を満たす０．１ｎｍ程度の狭い波長幅となってしまう。このため、スペックルノイズを低減することができない。
【００３１】
図１７に示すレーザ装置４００は、レーザ光の基本波を発振する半導体レーザアレイ４０１と、半導体レーザアレイ４０１の各発光点４０２から出射される基本波の波長を安定化するブラッグ反射構造４０３とを有する。また、周期分極反転構造４０６を有する非線形光学素子４０５と、フィルター４０７とを有する構成である。
半導体レーザアレイ４０１には発光点４０２が直線状に配列されており、波長１０６０ｎｍ帯の半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）等が用いられる。
【００３２】
ブラッグ反射構造４０３は、低屈折率材料と高屈折率材料とが光の進行方向に対して積層される構造とされ、ある特定の周期の領域では対応する特定の波長に対して強い反射率を持つ構成とされる。また、非線形光学素子４０５としては、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等の強誘電体結晶が用いられ、所定の周期でその分極方向が反転、非反転を繰り返す構造をとっている。この分極反転周期と非線形光学素子４０５を通るレーザ光の波長が擬似位相整合条件を満たす場合に２次高調波等の変換波が発生する。
【００３３】
この例では、半導体レーザアレイ４０１で発振されたレーザ光は、前記ブラッグ反射構造４０３によって波長λ１のみの基本波Ｌ１１に安定化され、非線形光学素子４０５に入射する。また、非線形光学素子４０５の分極反転周期は、素子４０５内の全領域において波長λ１の光に対して擬似位相整合条件を満たすように構成される。そして入射したレーザ光は波長λ１／２のみの２次高調波Ｌ１２に変換される。そしてフィルター４０７によって２次高調波のみが取り出され、それ以外の波長光は反射される。したがって、半導体レーザアレイ４０１からのレーザ光が波長λ１＝１０６０ｎｍ帯であれば、図１８に模式的にスペクトルを示すように、波長λ１／２、つまり５３０ｎｍの波長の緑レーザ光が得られることになる。このように単一の波長の変換のみを行う場合は、高い変換効率が得られるものの、ディスプレイ装置の光源として用いると、スペックルの発生が問題となる。
【００３４】
一例として、上述した本実施の形態に係るレーザ装置１０において、波長５３０ｎｍ、波長幅３ｎｍの緑色レーザ光を出射する構成とする場合について以下に説明する。
この場合、半導体レーザ１１には例えば発振波長１０６０ｎｍの歪ＩｎＧａＡｓ活性層等からなるレーザアレイを用いる。発光点１２の個数や配置としては、例えば幅０．１５ｍｍの発光点１２を０．５ｍｍ間隔で１９個並べ、全体として約１０ｍｍ幅として構成し得る。
【００３５】
ＶＢＧより成るブラッグ反射構造１３は、例えばガラスからなり、紫外線レーザを用いた干渉露光等によるフォトリフラクティブ効果で半導体レーザ１１の配列方向に周期的な屈折率変化が作られる。このように周期的屈折率変化構造とすることで、ブラッグ反射により１０６０ｎｍ帯の中の特定波長を強く反射する構成とする。その反射波長は、周期変化及びデューティー比変化のために半導体レーザアレイの配列方向に沿って異なるので、上記１９個の発光点から発振されたレーザ光は、例えば１０５７〜１０６３ｎｍの範囲の異なった波長にそれぞれ０．１ｎｍの波長幅で安定化される。
【００３６】
非線形光学素子１５は例えばＬｉＴａＯ３等の非線形光学結晶から成り、幅１５ｍｍのものを用いる。この非線形光学素子１５は高電圧印加により周期分極反転構造１６が形成されており、その周期は光の伝搬方向に沿って例えば７．９１８〜８．０１０μｍの範囲で変化する。前述のブラッグ反射構造１３によって安定化された波長の異なる各レーザ光は、この周期の範囲においてその擬似位相整合条件を満たし、２次高調波として波長５２８．５〜５３１．５ｎｍのレーザ光を発生する。すなわちこの場合、波長幅３ｎｍの高調波が得られることとなる。
【００３７】
このように、本実施の形態においては、半導体レーザ１１から出射される複数の光が非線形光学素子１５内を伝搬中にその伝搬方向に沿う少なくとも一部の領域で必ず擬似位相整合条件が満たされる。そしてこのような構成とする場合、基本波発生部１４を構成する部品の構造や、非線形光学素子１５との位置調整等において作製誤差があっても、波長幅の広い２次高調波を確実に発生させることが可能となる。すなわちこのレーザ装置１０は、単純な構成であるにもかかわらず、上述したように例えば基本波発生部１４と非線形光学素子１５との位置が素子幅方向にずれても、必ずどの基本波も擬似位相整合条件が満たされるという利点を有する。したがって、組立時における素子幅方向の高精度の光学調整が不要となり、コストの低減化が図れることとなる。また、各々のビームが非線形光学素子の別の伝搬経路で波長変換されるので、スペクトルの独立性があり、即ち第２高調波発生やその伝搬時における干渉や相殺がなく、その結果、縦マルチモードレーザと比べてスペクトル密度（スペクトル領域におけるピークパワー）が高く高変換効率が期待できる。
このようなレーザ光源１０を例えば緑色レーザ光源として用いて、赤色及び青色の半導体レーザ等のレーザ光源とレーザディスプレイやレーザプリンタ装置等の画像形成装置を構成する場合は、その作製しやすさゆえに低コスト化が可能となる。また、少なくとも一つのレーザ光源における波長幅が従来のレーザ光源と比べて３ｎｍと広くできるため、干渉に起因したスペックルノイズが大幅に低減され、より鮮明な画像を表示することが可能となる。
なお、非線形光学素子の各ビームの入射前に、各エミッターからの発散角を抑えて非線形光学素子への入射光量が減少しないよう、また非線形光学素子に集光されるような各種の光学素子を加えることができる。例えば各エミッターに対して垂直方向にパワーを持つシリンドリカルレンズを挿入したり、各エミッターに対応したマイクロレンズアレイを用いたりするのが好ましい。これらの素子を挿入した場合は、より非線形光学素子中でのパワー密度を向上させることができ、波長変換効率をより高めることが可能となる。
【００３８】
２．第２の実施の形態（伝搬方向に分極反転周期及び分極反転デューティー比が変化する第２の例）
図３は本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光源装置３０の構成図である。
このレーザ装置３０では、複数の発光点３２を有する半導体レーザアレイ等より成る半導体レーザ３１とブラッグ反射構造３３により基本波発生部３４が構成される。そして基本波発生部３４において少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波Ｌ１が発生する。また、発生した基本波の進行する方向に、分極反転構造３６を有する非線形光学素子３５と、高調波を透過して基本波を反射するフィルター３７がそれぞれ配置される。
【００３９】
本例における非線形光学素子３５は、分極反転周期が一定となる領域を有し、その領域毎に周期が変化するようにしてある。変化した周期に対応する波長光がそれぞれ２次高調波に変換されることになるが、この場合、第１の実施の形態と比較して一定周期となる領域の伝搬長（相互作用長）を長く確保できるため、全体で広い波長幅を保ちながら変換効率を高めることができる。
【００４０】
ところで、擬似位相整合条件を満たし効率よく２次高調波等の波長変換を行うには、非線形光学素子に入射するレーザ光の波長幅を０．１ｎｍ程度の狭い幅に揃えることと同時に、その中心波長を波長幅以下の精度で合わせる必要がある。
【００４１】
一般的に、基本波の中心波長及び周期分極反転の擬似位相整合条件は、作製誤差によって変動するため、従来は非線形光学素子の温度制御や、基本波の入射角度を僅かに調整することで両者の波長を合わせている。
【００４２】
一方、本発明では非線形光学素子の光路長方向（伝搬方向）に異なる位相整合条件を満たす分極反転周期を有する構造を設けている。図４は、レーザ光が非線形光学素子内において、位相整合条件を満たす伝搬方向の位置とその波長の関係を示したものである。図４において、破線ａは図１に示す第１の実施の形態における非線形光学素子１５の場合を示しており、実線ｂは本実施の形態における非線形光学素子３５の例を表している。第１の実施の形態では、非線形光学素子１５の分極反転周期は略連続的に変化するため、実線ａは直線状に表しているが、これに限定されるものではなく、例えば曲線状もとりうる。一方、本実施の形態では領域毎に分極反転周期が変化するため、実線ｂで示すように階段状となる。
【００４３】
本発明では、図４に示すように、分極反転構造により２次高調波等の波長変換できる波長帯域が、基本波となる半導体レーザの波長帯域全体を含むようにその周期や分極反転デューティーとその変化量を定めることが望ましい。これにより、発光点ごとに異なる波長で出射されたそれぞれの基本波が必ず、非線形光学素子を伝搬中にその擬似位相整合条件を満たす分極反転周期や分極反転デューティーの領域に到達することになる。このため、作製誤差（中心間隔や波長間隔、発光点位置のばらつき等）によらず所望の波長変換を行うことができる。したがって、レーザ装置の歩留まりの低下を抑制し、生産性の向上を図ることが可能となる。
【００４４】
図５Ａに、従来の周期が一定である分極反転構造を有する非線形光学素子を用いる場合と、上述した第１又は第２の実施の形態における非線形光学素子を用いる場合との波長変換効率を比較した模式図を示す。図５Ａ中実線Ｃ０は図５Ｂに模式的に示すように分極反転構造の周期が一定の非線形光学素子４０５を用いる場合、実線Ｃ１は図５Ｃに模式的に示すように伝搬方向に例えば周期が変調する分極反転構造を有する非線形光学素子１１５を用いる場合の、波長に対する波長変換効率を示す。この場合、波長変換効率とは各波長での入射パワーが同じ場合の変換効率である。図５から明らかなように、周期一定の分極反転構造を設ける非線形光学素子４０５の場合は、最大変換効率は高いが変換効率が得られる波長帯域は狭い。これに対し、非線形光学素子１１５内に異なる周期の分極反転構造を設ける場合は、広い帯域での波長変換が可能となる。また、非線形光学素子中により広い波長領域に対応した伝搬方向に変化する分極反転構造を設けるほど、波長変換効率は下がる反面、より広い帯域での波長変換が可能になる。
【００４５】
上述した第１及び第２の実施の形態においては、各基本波の伝搬方向に沿ってそれぞれの波長に対応して位相整合する領域を設けている。この場合の、幅方向（レーザアレイの配列方向）に対して各波長の光の非線形光学素子における波長変換可能な範囲を模式的に示すと、図６Ａのようになる。図６Ａにおいて縦軸は波長を示し、図１又は図３に示す例における基本波Ｌ１の各中心波長λ１、λ２、・・・λ７を縦軸上で黒線として模式的に示している。図６Ａから明らかなように、幅方向の全域において波長変換可能領域６１が非線形光学素子内に存在する。
【００４６】
この場合の波長に対する変換効率（波長変換効率のスペクトル）を図６Ｂに示す。基本波Ｌ１の各中心波長λ１、λ２、・・・λ７の全てに対してほぼ同じ変換効率が得られることがわかる。このように、本発明によれば所定の波長帯域を有する基本波に対してその全波長帯域で変換効率を持たせることができることがわかる。また、図６Ａから明らかなように、幅方向の位置ずれに対する余裕度を確保でき、半導体レーザと非線形光学素子との光学的な位置調整が極めて簡易化されることがわかる。
【００４７】
また、上記のように徐々に変化する周期や、複数の一定周期を持つ分極反転構造により得られる波長変換スペクトルにリップルが見られることがある。このような時には、周期構造の変調の位相をずらしたり（各領域間に周期とは異なる長さの部分を挿入するなど）、分極反転のデューティー比を変化させたりすることによって各波長に対する変換効率を上下させて調整することができる。このため、なだらかな波長変換スペクトルを得ることができる。
これにより出力光のスペクトルばらつきを抑えることができるので、色調整のし易いレーザ装置の提供が可能となる。
【００４８】
なお、上述した第１及び第２の実施の形態においては、分極反転構造の周期が伝搬方向に徐々に大となる例を示すが、周期等の変化の態様は一律でなくてもよい。即ち周期等が徐々に大、徐々に小となる場合に限定されず、周期の大小関係の配置を伝搬方向において前後させることも可能である。このように位相整合条件の異なる領域を前後させる場合は基本波および波長変換光の位相関係によって変換効率を変化させることも可能である（全体としての擬似位相整合条件変化）。したがって、変換効率が高く、且つスペックルが十分低減されるように周期等を異ならせる分極反転構造の配置位置を適宜選定すればよい。
【００４９】
３．第３の実施の形態（伝搬方向及びレーザアレイ配列方向に分極反転周期が変化する例）
図７は、本発明における第３の実施の形態に係るレーザ装置４０の構成図である。
このレーザ装置４０は、複数の発光点４２を有する半導体レーザアレイ４１と半導体レーザアレイ４１からの光を少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波に安定化するブラッグ反射構造４３とより成る基本波発生部４４を備える。更に、基本波発生部４４において発生した複数の基本波に対して擬似位相整合条件を満たす分極反転構造４６を有する非線形光学素子４５と、高調波を透過して基本波を反射するフィルター４７によって構成される。
【００５０】
この例における非線形光学素子４５は、その分極反転構造４６の周期及びデューティー比が光線の伝搬方向に変化するだけでなく、ブラッグ反射構造４３によって安定化された各波長に合わせて、素子幅方向にも徐々に変化するようになっている。
【００５１】
この場合の、幅方向の位置に対して各基本波の波長における波長変換可能な領域の分布を図８Ａに模式的に示す。図８Ａにおいて図６Ａと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図８Ａから明らかなように、この場合基本波の各中心波長λ１、λ２、・・・λ７の光に対する波長変換可能領域６２が、非線形光学素子の幅方向において所定範囲ずつ設けられることとなる。このとき、半導体レーザの特性変動等によって、例えば中心波長λ１からλ１−Δλに中心波長がずれた場合でも、これに対応する波長変換可能領域６３が存在することがわかる。
【００５２】
また、このときの波長変換効率のスペクトルを図８Ｂに示す。図８Ｂ中実線Ｃλ１、Ｃλ２、・・・Ｃλ７はそれぞれ中心波長λ１、λ２、・・・λ７の光の変換効率を示す。破線Ｃλ７’は中心波長λ７の光の幅位置がずれた場合の波長変換効率を示す。この場合は、各中心波長の光に対して比較的高い波長変換効率が得られることとなる。これは、図１及び図３に示す第１、第２の実施形態の例と比べて、伝搬方向全体として各波長に位相整合する有効領域をより長く設けることが可能となるからである。あるいは、限られた波長領域に対して位相整合させればよいので、図５Ａで示した説明にあるように波長領域におけるピークとしてより高い変換効率を実現することが可能になる。なお、図１、図３及び図７に示す例においては、前述したように周期変化を誇張して示しているが、実際にはスペックルの低減を目的とする場合、周期の変化率は数％以下程度で十分である。またこのとき、各中心波長に対する波長変換効率の分布は比較的広いため、例えば中心波長λ１がλ１−Δλにずれたときに、ある程度の波長変換効率が得られることがわかる。
【００５３】
これに対し、参考例として、幅方向に周期構造が変化するが、伝搬方向には周期構造が一定である場合を検討する。図９Ａに、この場合の各中心波長λ１、λ２、・・・λ７の光に対する幅方向の波長変換可能領域６４を示す。図９Ａから明らかなように、この場合は、図８Ａに示す例と比べて、波長の変動に対する許容範囲が狭くなる。これは、図７に示す例では幅方向のみならず伝搬方向にも周期を変化させているため、結果的に、ある波長に対して伝搬方向全体として位相整合する有効領域が幅方向に広がる効果をもつためである。したがって、例えば中心波長λ１の光が半導体レーザの特性変動とうによって中心波長がΔλずれてしまうと、波長変換可能な領域が存在しなくなる場合がある。
【００５４】
この参考例における波長変換効率のスペクトルを図９Ｂに示す。図９Ｂ中実線Ｄλ１、Ｄλ２、・・・Ｄλ７はそれぞれ中心波長λ１、λ２、・・・λ７の光の変換効率を示す。破線Ｄλ７’は中心波長λ７の光の幅位置がずれた場合の波長変換効率を示す。図９Ｂから明らかなように、この場合は図８Ｂに示す例と比べて、波長変換効率のピーク値は高くなる。しかしながら中心波長が例えばλ１−Δλにずれた場合に、この波長帯域では殆ど波長変換できなくなる可能性がある。
【００５５】
つまり、波長変換効率を重視して例えば出力を特に確保したい場合は、幅方向のみに周期構造等の位相整合する構造を変化させればよい。逆に、波長変動や素子同士の光学的な位置調整を簡易化することを優先する場合は、図１、図３又は図６に示すように、伝搬方向に周期等を変化すればよいことがわかる。
【００５６】
特に図７に示す本実施の形態においては、周期構造を伝搬方向に沿って変化させると共に幅方向にも変化させることによって、波長トレランス（ここでは位置トレランスを意味する）を確保しつつ、所望の波長に対して、伝搬方向全体として有効な分極反転領域の大きさをより確保できる。このため、図８Ａに示すように、各中心波長の光に対する波長変換効率をより高めることが可能となる。
【００５７】
ところで、非線形光学素子に入射する基本波のビーム径は有限であるから、図７に示すように伝搬方向に加え幅方向にも分極反転構造が変化する場合には、そのビーム径内においてもその位置によって分極反転構造が変化することになる。
一般的に基本波のパワー密度が高い程波長変換効率が高いものの、ガウシアンビームの集光特性のために、ビームを小さく絞れば絞るほど拡散性が大きく、すなわち短い距離で拡がるようになる。また、緩く絞ると拡散性が小さくなりビーム径の変化は少なくなるものの、緩く絞った分ビーム径は大きくなってしまう。このため、素子長が長い場合、その前後端側においてビーム径が大きくなることは避け難く、ビーム径内での周期変化は増大する。素子長が長い場合は通常、最大変換効率になるように適切にビームの拡散性を抑えて使用するため、ビーム径は大きくなる。
【００５８】
これに対し本実施の形態では、上述したように基本波の伝搬方向にも幅方向にも分極反転構造が変化するものである。したがって、各基本波の中心波長に対応する分極反転周期の構造が、伝搬方向にも変化することとなる。このためビーム径が広がってもそれに対応する位相整合する幅方向の領域を確保することが可能である。図１０は、図７に示す非線形光学素子４５に対して、中心波長λ１の基本波がスポット径Ｓλ１で入射される場合の模式的な構成図を示す。図１０に示すように、中心波長λ１がスポット径Ｓλ１で入射される範囲の全域において分極反転周期が幅方向と伝搬方向とで変化する。このため、このスポット径Ｓλ１の領域内において中心波長λ１の波長変換が可能となる範囲が広がることとなる。即ち、伝搬方向に周期構造が変化せず、幅方向のみに周期構造が変化する場合と比べると、光ビームの伝搬経路内に存在する周期の伝搬方向全体としての有効な範囲が広いため、言い換えると位相整合する幅方向領域が広くなり、波長変換される領域を広げることが可能となるといえる。
【００５９】
例えば、図７におけるブラッグ反射構造４３の屈折率周期を幅方向に急激に変化させ、波長変化幅の大きいレーザ光を発生させる場合が考えられる。このような場合でも、上記のように幅方向と伝搬方向の両方に適切に周期を変化させることで、基本波の波長が幅方向に変化するのに対してビーム径の比較的大きな光の全体に対して擬似位相整合条件を満たすことができる。
図７では幅方向・伝搬方向ともに徐々に変化するような周期を持つ分極反転構造としたが、一定周期の領域が幅方向・伝搬方向に少しずつ周期を変えて連結されている構成をとっていても構わない。
【００６０】
なお、波長変換効率は上述のように、伝搬光路の擬似位相整合条件を満たした有効な長さにもよるため、一概に波長変換効率が高まるとはいえない。つまり、光ビーム径の大きさと波長範囲、それに対応する周期構造等の位相整合条件の範囲、更に要求される変換効率等を考慮して、伝搬方向及び幅方向の変化率を適宜選定すればよいといえる。
【００６１】
４．第４の実施の形態（伝搬方向に分極反転の初期位相、又は分極反転デューティーが変化する例）
この実施の形態においては、分極反転構造の初期位相又は分極反転デューティーを変化させる例について説明する。
図１１は、分極反転構造の周期は一定のまま非線形光学素子の分極反転の初期位相を変化させる例に係るレーザ装置の構成図である。
図１１に示すレーザ装置５０は、複数の発光点５２を有するレーザアレイ等より成る半導体レーザ５１と半導体レーザ５１からの光を少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波に安定化するブラッグ反射構造５３とより成る基本波発生部５４を備える。更に、基本波発生部５４において発生した複数の基本波に対して擬似位相整合条件を満たす分極反転領域５６ａ、５６ｂ、５６ｃより成る分極反転構造５６を有する非線形光学素子５５と、高調波を透過して基本波を反射するフィルター５７によって構成される。
図１１に示すように、この例では、非線形光学素子５５において、５６ａ、５６ｂ、５６ｃの領域毎に分極反転の初期位相をずらした構成とするものである。
【００６２】
他にも図１２に示すように、非線形光学素子７５の分極反転構造７６のデューティー比を伝搬方向に沿って変化させてもよい。図１２に示すレーザ装置７０は、複数の発光点７２を有するレーザアレイ等より成る半導体レーザ７１と半導体レーザ７１からの光を少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波に安定化するブラッグ反射構造７３とより成る基本波発生部７４を備える。更に、基本波発生部７４において発生した複数の基本波に対して擬似位相整合条件を満たす分極反転構造７６を有する非線形光学素子７５と、高調波を透過し基本波を反射するフィルター７７によって構成される。
このように分極反転構造の初期位相を変調させたり、またデューティー比を変化させたりすることによっても周期が変化したのと同等の効果を得られるので、複数の波長光に対して擬似位相整合条件を満たすことができる。また、これら位相とデューティー比の変化、周期変化を適宜組み合わせてもよく、更に、幅方向に変化させることも可能である。
【００６３】
５．第５の実施の形態（ブラッグ反射構造の配置の変形例）
図１３は、本実施の形態に係るレーザ装置の構成図である。図１３に示すように、このレーザ装置８０では、非線形光学素子８５をレーザアレイ等より成る半導体レーザ８１とブラッグ反射構造８７との間に配置して内部共振型波長変換としてある。このブラッグ反射構造８７は基本波Ｌ１の中心波長λ１〜λ７の光に対して強い反射を持ち、２次高調波は透過するように構成されてある。これにより非線形光学素子内で２次高調波に変換されずに残った光は反射されて再び非線形光学素子８５に戻り、再利用することができる。
【００６４】
また、非線形光学素子８５の半導体レーザ８１側には、基本波Ｌ１の中心波長λ１〜λ７の光に対して高透過で２次高調波に対しては高反射となる波長選択膜８４を設けてある。ブラッグ反射構造８７によって反射されて再び非線形光学素子８５に戻った基本波が、その戻りの光路中において２次高調波に変換された時にはこの波長選択膜８４によって再び反射される。また、変換されなかった残りの基本波は波長選択膜８４を透過して半導体レーザ８１に戻りロックされる。
このような構造とすることで、非線形光学素子８５内にて２方向に発生した高調波を一方向に揃えて取り出し、また半導体レーザ８１に入射してダメージを与えることを防ぐことができる。
【００６５】
なお、この例においては、非線形光学素子８５に設ける分極反転構造８６として、分極反転周期及び分極反転デューティーが変化する場合を示すが、これに限定されるものではない。前述の第２〜第４の実施の形態において説明した種々の構成を採用することが可能である。そしてこのように分極反転周期、分極反転初期位相又は分極反転デューティーの少なくともいずれかを基本波Ｌ１の伝搬方向に変化させることによって、上述の各実施の形態と同様に、簡単な構造で、異なる波長の基本波それぞれを効率よく変換することが可能である。
また、分極反転周期、初期位相又はデューティー比の変化は伝搬方向のみではなく、幅方向にも変化させる構成としてもよい。その場合でも、本実施の形態ではビームの伝搬方向にも周期等が変化する構成であるため、位置ずれがあっても、またビーム径の大きさいかんに依らず伝搬する間に必ず擬似位相整合条件を満たすことができる。
【００６６】
６．第６の実施の形態（ブラッグ反射構造と非線形光学素子とを一体化する例）
この実施の形態においては、ブラッグ反射構造を非線形光学素子の一部に設ける例を示す。分極ドメイン間の屈折率差は、微小な歪を与えることでその界面に生じさせることができる。より効果的には、周期構造を分極反転によって形成し、基本波の光路方向を挟む表面に電極を取り付け、電界を印加して電気光学効果によって反転周期毎に屈折率変化を発生させるのが望ましい。
【００６７】
図１４は、本実施の形態に係るレーザ装置９０の構成図である。このレーザ装置９０は、複数の発光点９２を有するレーザアレイ等より成る半導体レーザ９１と、ブラッグ反射構造９３を一体化して成る非線形光学素子９５と、高調波を透過して基本波を反射するフィルター９７とより構成される。非線形光学素子９５にはブラッグ反射構造９３を構成する分極反転領域９６ａと、基本波Ｌ１に対して擬似位相整合条件を満たす分極反転領域９６ｂとを備える。ブラッグ反射構造９３は、半導体レーザ９１からの光を少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波に安定化する。そして非線形光学素子９５の分極反転領域９６ｂでは、発生した複数の基本波Ｌ１に対して擬似位相整合条件を満たす構成とされる。
【００６８】
また図１４に示す例では、非線形光学素子９５に電極を周期的に取り付けて電圧をかけることで電極付きのブラッグ反射構造９３を形成し、電極がある領域と無い領域との間に屈折率の差を生じさせている。この場合には、そのブラッグ反射構造として用いる部分９６ａに、分極反転領域９６ｂが形成されていなくてもよい。
【００６９】
電極を用いない場合は、例えば干渉露光によるフォトリフラクティブ効果によって屈折率差を周期的に生じさせた構造でもよい。屈折率差の周期をΛ０とすると、光がほぼ垂直反射を起こすブラッグ条件はおよそΛ０＝ｎλ／２（ｎ：自然数、λ：波長）で表されるので、作製の容易さ等を考慮しながら次数ｎの値を選定して周期を決定すればよい。もちろんいずれの場合においても、９６ｂの分極反転周期または電極周期を幅方向に変化させ、半導体レーザアレイ９１からのビームを所望の波長帯域の基本波に安定化させる。
このような構成とすることで、部品点数が少なくなり、各部の光学的位置調整作業が簡易化されるので、作製の容易な、波長幅の広いレーザ装置を提供することが可能となる。
他には、周期的にイオンドープするなどによって屈折率変化を発生させることも出来る。また、エッチングなどにより非線形光学素子にグレーティング形状を形成してもよい。この場合にも屈折率の周期的変化が実現できる。
【００７０】
７．第７の実施の形態（縦マルチモードの半導体レーザを用いる例）
次に、ブラッグ反射構造によって安定化された光を発振する半導体レーザの代わりに、縦マルチモードの半導体レーザを用いる実施の形態について説明する。この場合には、レーザ光が非線形光学素子内を異なる光路で繰り返し反射して、少しずつ変換波長を変化させていく構成とすることができる。このような構成とすることで、各波長の光に対応して位相整合する領域を、縦マルチモードの光が伝搬する経路のうちの異なる領域に設けることが可能となる。つまり、各波長の光が波長変換する領域で、異なる波長の光との相互作用を軽減させることが可能となる。
【００７１】
図１５は、この実施の形態に係るレーザ装置１００の構成図である。この例では、縦マルチモードの半導体レーザ１０１と、この半導体レーザ１０１の発光点１０２から発せられる基本波Ｌ１の出射方向に配置される非線形光学素子１０５とより構成される。非線形光学素子１０５は、基本波Ｌ１の入射面１０５Ａ及び出射面１０５Ｂの法線方向が、基本波Ｌ１の進行方向に対して少しずれるように、基本波Ｌ１の進行方向に対し斜めに配置される。
【００７２】
そして非線形光学素子１０５の入射面１０５Ａの基本波Ｌ１が外部から入射する位置には基本波入射部１０３が設けられ、基本波Ｌ１に対して高透過とするために反射防止膜等が設けられる。この基本波入射部１０３は必要な透過性が得られるのであれば、単に反射膜を設けない構成としてもよい。入射面１０５Ａの基本波入射部１０３以外の面には、基本波Ｌ１と２次高調波Ｌ２の両方に対する反射膜１０７が形成される。また出射面１０５Ｂには２次高調波等の高調波Ｌ２を透過し、基本波Ｌ１は反射する選択透過膜１０８が形成される。
【００７３】
また、上述したように非線形光学素子１０５の入射面１０５Ａ及び出射面１０５Ｂは、その法線が縦マルチモードの半導体レーザ１０１から出射される基本波の進行方向に対して少しずれるように傾いている。このようにすることで、基本波入射部１０３から入射した基本波は、非線形光学素子１０５内を異なる経路で出射面１０５Ｂと入射面１０５Ａとで反射を繰り返すことになる。反射回数は目的とする波長範囲に併せて適宜選定すればよい。
【００７４】
さらに、非線形光学素子１０５内の分極反転構造１０６は、非線形光学素子１０５内を反射されて進行方向を変える光の経路に沿って少しずつその周期が変化するように構成される。つまり、反射された光の光路に対しても周期の変化が続くように、伝搬方向と幅方向の両方に対して分極反転周期が変化するように構成される。
【００７５】
基本波入射部１０３から入射した光のうち、その往路ｄ１にて高調波変換されなかった光は非線形光学素子１０５の選択反射膜１０８で反射され、反射膜１０７に向かってさらに異なる経路で分極反転周期の変化する光路を進む。そして反射膜１０７にて反射され、再び非線形光学素子の出射面に戻ってくる経路ｄ２の間に擬似位相整合を満たす周期がその光路中に存在した時には、その高調波変換された光が出射面から放出される。擬似位相整合を満たす周期が存在しなかった場合は、再び選択反射膜１０８にて反射され光路ｄ３を進むことになる。以後これを繰り返して、縦マルチモードの半導体レーザ１０１から出射される波長帯域の範囲で例えばλ１〜λ７の基本波に対して、λ１／２〜λ７／２の２次高調波Ｌ２が出射面１０５Ｂから外部に出射される。
【００７６】
このように本実施の形態においては、中心波長λ１〜λ７の光を異なる伝搬経路で波長変換する構成となる。したがって、異なる波長の変換波が同じ領域に存在することによる相互作用を軽減することができ、変換効率を高める、又は低下を抑えることが可能である。
【００７７】
また本実施の形態ではこのように、波長変換されなかった光を再利用することができる。このため、光の利用効率を向上させることができる。また、非線形光学素子１０５内での光路長を上記の第１〜第６の実施の形態の例と比べて非常に長くとることができるので、入射する光に対して数多くの分極反転周期を配置することが可能となる。あるいは、各分極反転構造を長くとったり、分極反転構造をゆっくり変化させたりすることによって、高変換効率を得ることができる。このため、縦マルチモードのような広い波長幅の光源であっても複数回往復して伝搬する間に擬似位相整合条件を満たし高効率に変換することが可能となる。したがって、前述の図６Ｂに示す波長変換効率のスペクトルと比較すると、同じ波長帯域で変換効率が得られ、かつその値を高めることが可能となる。即ち、図６Ｂにおいてグラフ全体を高めたような効果が得られる。
またこの場合、非線形光学素子１０５内の分極反転構造１０６を、幅方向において一方に同じ変化率とせず、異なる変化率とする分極反転領域を形成したり分極反転構造の伝搬方向への変換率を上下させたりすることも可能である。このようにすることで、各波長の光全てが擬似位相整合を満たすのに必要な光路長、即ち分極周期を、より薄い厚みで確保することが可能となる。このため、その分非線形光学素子１０５の厚さを薄くすることができ、装置全体の小型化を図ることが可能である。
【００７８】
また本例においては、上述したように波長幅が広いことによって時間干渉性が低くなり、スペックル低減に有利となるのはもちろんのこと、出力した複数ビーム間の干渉性も低くすることができる。言い換えると空間干渉性も大変低いと言える。これは、ビームを整形する際にインテグレータのような光学素子にて分割合成してトップハット形状、すなわち一定幅で一定強度となるような強度分布形状のビームに整形するような場合にも、干渉縞が出にくく大変扱いやすくなるいという利点を有する。
【００７９】
ところで、このように非線形光学素子１０５内にて基本波Ｌ１を複数回伝搬させる場合には、その伝搬距離が長くなるためにガウシアンビームの集光特性によりビーム径を一定に保つことが難しい。しかし、前述のように基本波のパワー密度が高いほど波長変換効率は高くなる。このため、本実施の形態の構成における非線形光学素子１０５においては、基本波Ｌ１に対してその伝搬方向と垂直な（図１５の紙面と垂直な）方向にのみ閉じ込め構造を持ったスラブ型導波路構造とするのが最適である。
【００８０】
このようにすることによって、非線形光学素子１０５内の基本波Ｌ１が拡散することを抑制し、そのパワー密度を伝搬経路全長にわたって高く保持することが可能となる。また、基本波Ｌ１の全ての波長に対して波長変換効率を高く保つことができる。
なお、図１５に示す例においては、断面ほぼ四角形の非線形光学素子１０５を伝搬方向に対し斜めに配置する例を示すが、その他非線形光学素子１０５を四角形から変形させるなどにより、基本波Ｌ１が斜め方向に反射されて素子内を伝搬する構成としてもよい。入射面１０５Ａ及び出射面１０５Ｂを平坦面とせず、斜面として断面三角形や菱形、円弧状とするとか、階段状に面を設ける等、伝搬方向調整のために種々の変形が可能である。
また、もちろん１０８に基本波も第２高調波も高反射となる部分を設けても構わない。この場合、基本波に対し高反射、高調波に対して高透過の部分を伝搬の最終段につけることにより、全ての発生した第２高調波を出力することが出来、その後のビーム整形が容易であるという利点を有する。
【００８１】
８．第８の実施の形態（レーザディスプレイ装置の適用例）
次に、本発明の実施の形態に係るレーザディスプレイ装置について説明する。
【００８２】
図１６はこのレーザディスプレイ装置２００の構成図である。このレーザディスプレイ装置２００は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色の光を出射する光源として２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃを備えており、緑色の光源として本発明によるレーザ装置が用いられている。レーザ装置の構成は前述の第１〜第７の実施の形態において説明した各種の装置構成とし得る。これら赤、緑及び青色光源から出射されたレーザはそれぞれ光スイッチングアレイ（光変調部）２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃにより反射される。反射された光はダイクロイックミラー２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃによりプロジェクションレンズ（投影光学系）２０４に集光される。そしてプロジェクションレンズ２０４で集光された光は、ガルバノミラーやポリゴンミラー等の走査素子２０５によりスキャンされ、スクリーン２０６に２次元画像として投影される。
【００８３】
このようなレーザディスプレイ装置２００では、緑色光源として本発明によるレーザ装置を用いたので、高効率かつ低消費電力で２次高調波による光を発振させることができる。また、本発明によるレーザ装置では、波長幅の広い出射光が得られるので、このようなレーザディスプレイ装置２００に適用することで、スペックルノイズを低減することができる。これにより、本実施の形態に係るレーザディスプレイ装置２００による映像は、鮮明で高品質なものとすることが可能である。
なお、光変調部と走査素子に代えて、液晶表示素子などの２次元変調素子を用いてもよい。また、光変調部は光源から出射された後に設けるのみではなく、光源内に含まれていてもよく、例えば光源として用いる半導体レーザの駆動部に画像情報に対応する変調信号を入力する構成等とすることも可能である。
【００８４】
９．第９の実施の形態（レーザプリンタ装置の適用例）
本発明のレーザ照射装置の一実施の形態として、レーザプリンタ装置の適用例について説明する。図１７はこのレーザプリンタ装置レーザ光源として赤色レーザ装置２１１ｒと本発明構成による緑色レーザ装置２１１ｇと青色レーザ装置２１１ｂを配置してある。緑色レーザ装置２１１ｇの装置構成は、上述した第１〜第８の実施の形態において説明した種々の構成とすることができる。
またこのレーザプリンタ装置２１０には、これらレーザ装置２１１ｒ、２１１ｂ及び２１１ｇから出射された光の光路上に出力パワーを調整する音響光学変調素子等の変調素子２１２が配置される。更に、変調素子２１２により調整された光を反射するミラー２１３と、ミラー２１３によって反射された光を集光するレンズ２１４が設けられる。またレンズ２１４によって集光された光を反射し、レーザ光を走査させるポリゴンミラー、ガルバノミラー等より成る走査素子２１５と、走査されたレーザ光の収差を補正するレンズ群２１６が配置される。これによりレーザプリンタ装置２１０が構成される。
【００８５】
レーザ装置２１１ｒ，２１１ｇ，２１１ｂより出射された光は、変調素子２１２によってその強度が調整され、ミラー２１３によって反射される。反射された光はレンズ２１４によって走査素子２１５の反射面上に集光される。そして、走査素子２１５によって反射されたレーザ光は、レーザ光の走査角度により変化する例えば印画紙等の被照射面での収差をレンズ２１６により予め補正され、出射される。
【００８６】
このようなレーザプリンタ装置２１０では、本発明構成によるレーザ装置２１１ｇを用いているため高効率の発光ができ、低消費電力を実現できる。
また、上記のようなレーザ照射装置により例えば画像描画を行うと、その出射光の干渉性が低いので被照射面での光強度分布が均一化され、より鮮明な画像を描写することが可能となる。この例においても、前述のレーザディスプレイ装置と同様に、光源から出射された後に光変調部を設けるのみではなく、光源自身に設けることも可能である。
【００８７】
１０．第１０の実施の形態（露光装置の適用例）
図１８は、本発明のレーザ照射装置の一実施の形態として露光装置の適用例を示す構成図である。レーザ光源として上述した第１〜第７の実施の形態において説明した各種構成のレーザ装置３１１を用いる。そしてレーザ装置３１１から出射された光は可変減衰器３１２によってその出力パワーが調整され、マスク３１３によって成形される。
【００８８】
成形されたレーザ光はミラー３１４によって反射され集光レンズ３１５に入射され、水平方向及び垂直方向等に移動可能とされる移動手段を備える載置手段３１７に配置した被照射体３１６の表面に集光される。このように、本発明の実施の形態に係るレーザ装置３１１を備えるレーザ照射装置３００を、レジスト等の露光光源として用いることにより、その出射光の非干渉性が高いので照射面での光強度分布の均一化が実現でき、露光ムラを低減することが可能となる。
【００８９】
なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、例えばブラッグ反射構造や非線形光学素子の入射面等に必要に応じて反射防止膜や波長選択膜を設けるとか、或いは他の光学素子を追加することも可能である。例えば非線形光学素子の前に色々なビーム整形作用を持つレンズなどの光学素子や、変換波の出射後にビーム形状を成型する光学素子を設けてもよい。このように本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００・・・レーザ装置、１１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０１・・・半導体レーザ、１２，３２，４２，５２，６２，７２，８２，９２，１０２・・・発光点、１３，３３，４３，５３，６３，７３，８３，９３・・・ブラッグ反射構造、１４，３４，４４・・・基本波発生部、１５，３５，４５，５５，６５，７５，８５，９５，１０５・・・非線形光学素子、１５ａ．非線形光学素子、１６，３６，４６，５６，７６，８６，９６，１０６・・・分極反転構造、１７，３７，４７，５７，６７，７７，８７，９７・・・フィルター、１０３・・・基本波入射部、１０８・・・選択反射膜、２００・・レーザディスプレイ装置、２０１ａ・・・赤色レーザ装置、２０１ｂ・・・緑色レーザ装置、２０１ｃ・・・青色レーザ装置、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ・・・光スイッチングアレイ、２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ・・・ダイクロイックミラー、２０４・・・プロジェクションレンズ、２０５・・・走査素子、２０６・・・スクリーン、２１０・・・レーザ照射装置、２１１ｒ・・・赤色レーザ装置、２１１ｇ・・・緑色レーザ装置、２１１ｂ・・・青色レーザ装置、２１２・・・変調素子、２１３・・・ミラー、２１４・・・レンズ、２１５・・・走査素子、２１６・・・レンズ群、Ｌ１，Ｌ１１・・・基本波、Ｌ２，Ｌ１２・・・２次高調波
【図１】
2010204197.tif 000003
【図２】
2010204197.tif 000004
【図３】
2010204197.tif 000005
【図４】
2010204197.tif 000006
【図５】
2010204197.tif 000007
【図６】
2010204197.tif 000008
【図７】
2010204197.tif 000009
【図８】
2010204197.tif 000010
【図９】
2010204197.tif 000011
【図１０】
2010204197.tif 000012
【図１１】
2010204197.tif 000013
【図１２】
2010204197.tif 000014
【図１３】
2010204197.tif 000015
【図１４】
2010204197.tif 000016
【図１５】
2010204197.tif 000017
【図１６】
2010204197.tif 000018
【図１７】
2010204197.tif 000019
【図１８】
2010204197.tif 000020
【図１９】
2010204197.tif 000021
【図２０】
2010204197.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月23日(2010.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
こうして波長幅が整えられた各光線は非線形光学素子１５に入射され、波長が変換される。
非線形光学素子１５は、例えばＳＨＧ（第２高調波発生）、等の波長変換に用いられ、あるいは、基本波と発生した第２高調波の間の波長変換としてＴＨＧ（第３高調波発生）や、和周波発生や光パラメトリック発振等に用いられる。別の波長の光源を入射することにより前記様々な波長変換を実現してもよい。使用材料には分極反転のできる材料が選ばれ、ＫＴｉＯＰＯ４、ＲｂＴｉＯＰＯ４、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３等が挙げられる。またそのコングルーエント（一様融液）組成、そのストイキオメトリック（化学量論的）組成や、ＭｇＯ、ＺｎＯ等の添加物を添加した材料が挙げられる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
これに対し、例えば図１９に示す比較例によるレーザ装置のように、非線形光学素子の周期が一定である場合は、出射されるレーザ光の波長はその周期の擬似位相整合条件を満たす０．１ｎｍ程度の狭い波長幅となってしまう。このため、スペックルノイズを低減することができない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図１９に示すレーザ装置４００は、レーザ光の基本波を発振する半導体レーザアレイ４０１と、半導体レーザアレイ４０１の各発光点４０２から出射される基本波の波長を安定化するブラッグ反射構造４０３とを有する。また、周期分極反転構造４０６を有する非線形光学素子４０５と、フィルター４０７とを有する構成である。
半導体レーザアレイ４０１には発光点４０２が直線状に配列されており、波長１０６０ｎｍ帯の半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）等が用いられる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
この例では、半導体レーザアレイ４０１で発振されたレーザ光は、前記ブラッグ反射構造４０３によって波長λ１のみの基本波Ｌ１１に安定化され、非線形光学素子４０５に入射する。また、非線形光学素子４０５の分極反転周期は、素子４０５内の全領域において波長λ１の光に対して擬似位相整合条件を満たすように構成される。そして入射したレーザ光は波長λ１／２のみの２次高調波Ｌ１２に変換される。そしてフィルター４０７によって２次高調波のみが取り出され、それ以外の波長光は反射される。したがって、半導体レーザアレイ４０１からのレーザ光が波長λ１＝１０６０ｎｍ帯であれば、図２０に模式的にスペクトルを示すように、波長λ１／２、つまり５３０ｎｍの波長の緑レーザ光が得られることになる。このように単一の波長の変換のみを行う場合は、高い変換効率が得られるものの、ディスプレイ装置の光源として用いると、スペックルの発生が問題となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
一方、本発明では非線形光学素子の光路長方向（伝搬方向）に異なる位相整合条件を満たす分極反転周期を有する構造を設けている。図４は、レーザ光が非線形光学素子内において、位相整合条件を満たす伝搬方向の位置とその波長の関係を示したものである。図４において、破線ａは図１に示す第１の実施の形態における非線形光学素子１５の場合を示しており、実線ｂは本実施の形態における非線形光学素子３５の例を表している。第１の実施の形態では、非線形光学素子１５の分極反転周期は略連続的に変化するため、破線ａは直線状に表しているが、これに限定されるものではなく、例えば曲線状もとりうる。一方、本実施の形態では領域毎に分極反転周期が変化するため、実線ｂで示すように階段状となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
図５Ａに、従来の周期が一定である分極反転構造を有する非線形光学素子を用いる場合と、上述した第１又は第２の実施の形態における非線形光学素子を用いる場合との波長変換効率を比較した模式図を示す。図５Ａ中実線Ｃ０は図５Ｂに模式的に示すように分極反転構造の周期が一定の非線形光学素子４０５を用いる場合、実線Ｃ１は図５Ｃに模式的に示すように伝搬方向に例えば周期が変化する分極反転構造を有する非線形光学素子１１５を用いる場合の、波長に対する波長変換効率を示す。この場合、波長変換効率とは各波長での入射パワーが同じ場合の変換効率である。図５から明らかなように、周期一定の分極反転構造を設ける非線形光学素子４０５の場合は、最大変換効率は高いが変換効率が得られる波長帯域は狭い。これに対し、非線形光学素子１１５内に異なる周期の分極反転構造を設ける場合は、広い帯域での波長変換が可能となる。また、非線形光学素子中により広い波長領域に対応した伝搬方向に変化する分極反転構造を設けるほど、波長変換効率は下がる反面、より広い帯域での波長変換が可能になる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
つまり、波長変換効率を重視して例えば出力を特に確保したい場合は、幅方向のみに周期構造等の位相整合する構造を変化させればよい。逆に、波長変動や素子同士の光学的な位置調整を簡易化することを優先する場合は、図１、図３又は図７に示すように、伝搬方向に周期等を変化すればよいことがわかる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光点を有する半導体レーザとブラッグ反射構造とを有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部と、
前記基本波発生部から出射される複数の基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って変化して形成される非線形光学素子と、を備える
レーザ装置。
【請求項２】
前記分極反転構造は、前記複数の基本波のそれぞれの伝搬方向に沿って分極反転周期、分極反転デューティー又は分極反転初期位相のうち、少なくともいずれかが変化する構造である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記分極反転構造は、レーザ光の伝搬方向に沿って複数の分極反転領域が連結された構造を含み、
前記それぞれの分極反転領域内では分極反転周期が一定であり、且つ、少なくとも一組が互いに異なる周期である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記半導体レーザの複数の発光点は直線状に配列され、
前記ブラッグ反射構造は、前記発光点の配列方向に沿って反射波長が変化する周期構造を含み、
前記分極反転構造は、前記半導体レーザの複数の発光点の配列方向に沿って変化する周期構造を含む請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記分極反転構造は、擬似位相整合により波長変換できる波長帯域が、前記複数の基本波全体の波長帯域を含む構造である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記ブラッグ反射構造は、前記基本波に対する反射率が高調波に対する反射率より高く、前記高調波に対する透過率が前記基本波に対する透過率よりも高い構造である請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記非線形光学素子は、前記半導体レーザと前記ブラッグ反射構造との間に配置され、前記基本波に対する透過率が前記高調波に対する透過率よりも高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも反射率が高い波長選択膜を備える請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記ブラッグ反射構造が、前記非線形光学素子の一部に形成される請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記ブラッグ反射構造が、電気光学効果により屈折率を変調する電極により形成される請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記非線形光学素子の前記ブラッグ反射構造を構成する領域に、複数のブラッグ反射条件を満たす周期の電極構造より成る電極部が設けられる請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
縦マルチモードの半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射される波長幅を持つ基本波を擬似位相整合によって高調波に変換する異なる分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って形成される非線形光学素子と、
前記非線形光学素子の前記半導体レーザからのレーザ光を入射する位置に設けられる前記基本波を透過する入射部と、
前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造と、を備える
レーザ装置。
【請求項１２】
前記非線形光学素子は、前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造により基本波が斜めに反射されることによって、２以上の異なる基本波伝搬経路及び２以上の異なる高調波出射経路を有する請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記非線形光学素子は、前記基本波の入射方向及び前記入射方向とほぼ垂直な素子幅方向に前記分極反転構造が変化し、前記基本波の伝搬経路に沿って異なる波長の基本波が波長変換される分極反転領域を含む請求項２又は１２のいずれかに記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記非線形光学素子は、基本波に対する一方向閉じ込めによる導波構造を有する請求項１２に記載のレーザ装置。
【請求項１５】
複数の発光点を有する半導体レーザとブラッグ反射構造とを有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部と、前記基本波発生部から出射される複数の基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って変化して形成される非線形光学素子と、を備えるレーザ装置を含む光源と、
前記光源から出射される光を信号に対応して制御する光変調部と、
光変調された変調光を外部に出力する投影光学系と、を備える
レーザディスプレイ装置。
【請求項１６】
複数の発光点を有する半導体レーザとブラッグ反射構造とを有し、少なくとも一組は互いに波長の異なる複数の基本波を発生する基本波発生部と、前記基本波発生部から出射される複数の基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って変化して形成される非線形光学素子と、を備えるレーザ装置を含む光源を備える
レーザ照射装置。
【請求項１７】
縦マルチモードの半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される波長幅を持つ基本波を擬似位相整合によって高調波に変換する異なる分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って形成される非線形光学素子と、前記非線形光学素子の前記半導体レーザからのレーザ光を入射する位置に設けられる前記基本波を透過する入射部と、前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造と、を備えるレーザ装置を含む光源と、
前記光源から出射される光を信号に対応して制御する光変調部と、
光変調された変調光を外部に出力する投影光学系と、を備える
レーザディスプレイ装置。
【請求項１８】
縦マルチモードの半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される波長幅を持つ基本波を擬似位相整合によって高調波に変換する異なる分極反転構造が、前記基本波の伝搬方向に沿って形成される非線形光学素子と、前記非線形光学素子の前記半導体レーザからのレーザ光を入射する位置に設けられる前記基本波を透過する入射部と、前記基本波に対して前記高調波に対するよりも反射率が高く、前記高調波に対して前記基本波に対するよりも透過率が高い構造と、を備えるレーザ装置を含む光源を備える
レーザ照射装置。
【請求項１９】
複数の互いに異なる波長を有する基本波に対してブラッグ反射条件を満たす周期構造を備えるブラッグ反射構造と、
前記複数の基本波のそれぞれの伝搬方向において、前記基本波の波長に対応して擬似位相整合する分極反転領域が前記伝搬方向に沿って変化して形成され、前記複数の基本波を擬似位相整合によってそれぞれ高調波に変換する分極反転構造と、を備える
非線形光学素子。
【請求項２０】
前記ブラッグ反射構造が、電気光学効果により屈折率を変調する電極を備える請求項１９に記載の非線形光学素子。
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2010204197.tif 000023
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2010204197.tif 000024