(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ活性物質を含み、２つのファイバグレーティングが形成されたファイバと、前記ファイバに励起光を入射するレーザ光源とを光学的に接続して構成したレーザ共振器と、
前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを備え、
前記ファイバグレーティングは、前記レーザ光源側の第１のファイバグレーティングと、前記波長変換素子側の第２のファイバグレーティングとを含み、
前記第２のファイバグレーティングの温度は、前記波長変換素子から出力される高調波の出力に応じて調整され、
前記基本波又は前記励起光の出力の一部を吸収して、前記第２のファイバグレーティングを加熱する加熱部をさらに備えることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記ファイバは、希土類元素を設定した濃度にドーピングして前記基本波又は前記励起光の出力の一部を吸収することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記希土類元素は、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ及びＥｕから選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記希土類元素は、１０００〜３０００ｐｐｍの濃度でドープされていることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記希土類元素は、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｙ及びＬａから選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記希土類元素は、２００００〜３００００ｐｐｍの濃度でドープされていることを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記希土類元素は、前記ファイバのクラッド部分にドープされていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記希土類元素は、前記ファイバのコア部分にドープされていることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記ファイバは、前記第1のファイバグレーティングが形成された第１のファイバと、前記第２のファイバグレーティングが形成された第２のファイバとを光学的に接続して構成されていることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記ファイバは、前記第1のファイバグレーティングが形成された第１のファイバと、第２のファイバと、前記第２のファイバグレーティングが形成された第３のファイバとからなり、前記第２のファイバの両端に前記第１のファイバと前記第３のファイバとが光学的に接続されていることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記ファイバは、ダブルクラッド構造からなっていることを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記ダブルクラッド構造の少なくとも一方のクラッド部分には、前記希土類元素がドープされていることを特徴とする請求項１１に記載の波長変換装置。
【請求項１３】
前記加熱部は、前記第２のファイバグレーティングが形成されている領域に設けられた再被覆層であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１４】
前記再被覆層の材料は、難燃材料であることを特徴とする請求項１３に記載の波長変換装置。
【請求項１５】
前記再被覆層の材料の屈折率は、１．３７〜１．４３であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の波長変換装置。
【請求項１６】
前記加熱部は、前記波長変換素子の温度を制御する温度制御部材と、前記第２のファイバグレーティング及び前記波長変換素子を保持するための保持台とを含み、
前記温度制御部材から発生される熱が前記保持台を介して前記第２のファイバグレーティングに伝導されることにより、前記第２のファイバグレーティングが加熱されることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１７】
前記加熱部は、前記基本波又は前記励起光の漏れ光を吸収して発熱するとともに、前記ファイバより熱膨張係数の大きな材料からなり、前記第２のファイバグレーティングを保持するための保持部材を含み、
前記保持部材は、自身の発熱による熱膨張により前記第２のファイバグレーティングに引っ張り応力を加えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１８】
前記基本波の出力の一部を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出値に基づいて前記波長変換素子から出射される高調波の出力を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１９】
前記制御手段は、テーブル形式で予め記憶されているデータに基づき前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことを特徴とする請求項１８に記載の波長変換装置。
【請求項２０】
前記制御手段は、前記基本波の出力に対する前記波長変換素子の位相整合波長変化量を基に前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことを特徴とする請求項１９に記載の波長変換装置。
【請求項２１】
前記制御手段は、前記基本波の出力に対する前記ファイバグレーティングの反射波長変化量を基に前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の波長変換装置。
【請求項２２】
前記検出手段は、前記ファイバから前記基本波の分岐光を受光する受光素子を含むことを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項２３】
前記検出手段は、前記ファイバグレーティングから前記基本波の漏れ光を受光する受光素子を含むことを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項２４】
前記高調波の出力の一部を検出する検出手段と、
前記検出手段による高調波の出力の検出値に基づいて前記高調波の出力が所望の大きさで一定に保たれるよう前記レーザ光源への駆動電流を調整する出力コントローラとをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項２５】
前記高調波の波長は、５１０〜５５０ｎｍであり、前記高調波の出力は、１Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項２６】
前記高調波の波長は、４４０〜４９０ｎｍであり、前記高調波の出力は、０．１Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせて安定な高出力を得る波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単色性の強い高出力の可視光光源は、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等を実現する上で必要とされている。赤、緑、青の３原色のうち、赤色の光源については、ＤＶＤレコーダー等で使用されている赤色高出力半導体レーザが、生産性の高い小型の光源として利用可能である。しかしながら、緑色又は青色の光源については、半導体レーザ等での実現が難しく、生産性の高い小型の光源が求められている。
【０００３】
このような光源として、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせた波長変換装置が、低出力の可視光光源として実現されている。ファイバレーザを励起する励起光源として半導体レーザを用い、波長変換素子として非線形光学結晶を用いた緑色や青色の小型の光源はよく知られている。
【０００４】
図２５に従来の波長変換装置１０の概略構成を示す。ファイバ励起用半導体レーザ１からのレーザ光は、レンズ２により、内部にグレーティング部６を形成した光ファイバ３と結合する。この結合の中でレーザ光が何度も往復することで、半導体レーザ１と光ファイバ３のグレーティング部６とから光共振器が構成される。この光共振器から出射されたレーザ光は、レンズ４を介して波長変換素子５に入射し、第２高調波光に変換されて波長変換素子５の入射面と反対の面から出射される。このとき、装置全体の環境温度が変化して各部材の内部温度が上昇すると、波長変換素子５で変換可能な波長帯域が約０．１ｎｍと狭いため、入射光の波長と波長変換素子５の変換可能な波長とが合わず、波長変換素子５から安定した出力が得られなくなるという課題があった。
【０００５】
この課題を解決するために、図２５に示す例では、温度変動により伸縮する感温伸縮部材７が、固定部８と固定部９を介して、光ファイバ３のグレーティング部６を長さ方向に伸縮させる。このことにより、半導体レーザ１と光ファイバ３とで構成される光共振器から出射する光の波長が変化し、波長変換素子５の温度変化により波長変換素子５で変換可能な入射光の中心波長が変動しても、それに追従させる方式が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
また、温度制御回路を用いて偏波保持型光ファイバの温度を一定に制御し、波長変換素子から安定な出力が得られることも示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
さらに、グレーティング部の温度を感温素子で検知し、この温度におけるグレーティング部の反射波長帯域内に波長変換素子の変換可能波長帯域が含まれるように、ペルチェ素子で波長変換素子の温度を制御することも行われている。これにより、環境温度等の変化に拘わらず安定した波長変換素子からの光出力が得られることが示されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６５３８９号公報
【特許文献２】特開２００５−１１５１９２号公報
【特許文献３】特開２００５−１８１５０９号公報
【特許文献４】特開２００５−１０３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の波長変換装置では、光ファイバのグレーティング部及び波長変換素子の内部の温度変化に対する波長変化の割合は、それぞれ０．０１ｎｍ／Ｋ、０．０５ｎｍ／Ｋと異なる。そのため、内部温度が大きく変化すると、グレーティング部で選択される波長と波長変換素子で変換可能な波長とは大きく離れることとなる。したがって、数百ｍＷ以下の低出力の波長変換光を得ようとする場合は、上記従来例に記載の方法は有効であるが、Ｗ級の高出力の波長変換光を得ようとする場合には、特に波長変換素子の内部の温度上昇が大きくなり、波長変動量が大きくなり過ぎる。その結果、上記従来例に記載のいずれの方法でも、温度の調整や波長の調整が困難となり、Ｗ級の高出力を得ることは困難である。
【０００９】
また、本願発明者らは、数Ｗの高調波を発生する際に発生する結晶の破壊及び劣化について鋭意検討を行った結果、従来の光損傷とは全く異なる原理による結晶の破壊及び劣化の原因を究明した。以下に、この新たな、結晶の破壊及び劣化の原因について詳述する。
【００１０】
ニオブ酸リチウム結晶（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）を用いた擬似位相整合素子（ＱＰＭ−ＬＮ素子）は、ＬＢＯ結晶やＫＴＰ結晶よりも大きな非線形光学定数を持つため、高効率及び高出力の波長変換が可能である。しかしながら、ＱＰＭ−ＬＮ素子は、狭い領域に光エネルギーを集光する必要があるため、実質的にはＫＴＰ結晶より基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりやすい。
【００１１】
上記の大きな非線形光学定数が原因となり、数Ｗの高調波を得る場合において、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）との和周波である紫外光（第３高調波）が位相整合条件からはずれた場合においても発生する。この発生した紫外光が、緑色光の吸収を引き起こし、緑色高出力の飽和及び結晶破壊を引き起こすことを見出した。本明細書においては、この紫外光（第３高調波）による結晶破壊を紫外光誘起緑色光吸収（ＵＶＩＧＡ：ultraviolet induced green light absorption）による結晶破壊と呼び、従来の光損傷と区別する。
【００１２】
図２６は、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。なお、図において、測定及び計算に用いた基本波の波長は１０８４ｎｍであり、素子長は２５ｍｍである。また、理論値の計算は、“Ｔ．Ｓｕｈａｒａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｆｕｊｉｍｕｒａ  ：Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  （Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ，２００３）  ｐ．２０８．”に記載されている方法を用い、変換効率等には各素子に応じた値を用いた。
【００１３】
図２６に示すように、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子では、理論値の入出力特性は曲線ＣＲとなり、入力と出力とがほぼ比例する。一方、測定値の入出力特性は曲線ＣＥとなり、緑色光出力が１Ｗ未満の区間ｒ１では、曲線ＣＲと曲線ＣＥとがほぼ一致するが、緑色光出力が１Ｗ以上となる区間ｒ２では、曲線ＣＥは曲線ＣＲから外れて緑色光出力が低下し、緑色光出力が１．７５Ｗ以上となる区間ｒ３では、曲線ＣＥは曲線ＣＲから大きく外れ、緑色光出力が不安定となった。この結果、従来の波長変換素子では、その出力が１Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収が顕著に発生することがわかった。
【００１４】
素子によっても異なるが、緑色光を発生する場合、１Ｗ以上の出力を発生するときに紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始め、短波長の青色光を発生する場合では、結晶破壊の閾値が低下し、０．１Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始める。このように、紫外光誘起緑色光吸収によっても、波長変動量が大きくなり過ぎ、波長変換光の出力が低下するため、Ｗ級の高出力を得ることは困難であった。
【００１５】
本発明の目的は、環境温度が変化しても、波長変換素子から高出力な波長変換光を安定して得られる波長変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一局面に従う波長変換装置は、レーザ活性物質を含み、２つのファイバグレーティングが形成されたファイバと、前記ファイバに励起光を入射するレーザ光源とを光学的に接続して構成したレーザ共振器と、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記ファイバグレーティングは、前記レーザ光源側の第1のファイバグレーティングと、前記波長変換素子側の第２のファイバグレーティングとを含み、前記第２のファイバグレーティングの温度は、前記波長変換素子から出力される高調波の出力に応じて調整される。
【発明の効果】
【００１７】
上記の波長変換装置では、波長変換素子側の第２のファイバグレーティングの温度が波長変換素子から出力される高調波の出力に応じて調整されているので、従来よりも第２のファイバグレーティングの温度を大きく上昇させて基本波の波長を大きくシフトさせることができる。この結果、基本波の波長を波長変換素子で変換可能な波長から離れないようにシフトさせることができるので、波長変換素子から高出力な波長変換光を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の各実施の形態にかかる波長変換装置について、図面を参照しながら説明する。なお、同一部分には同一符号を付し、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。図１に示す波長変換装置は、ファイバレーザ２０、レンズ２６、波長変換素子２７、ビームスプリッタ２８、受光素子２９、出力コントローラ３０及び励起用レーザ電流源３１を備える。ファイバレーザ２０は、ファイバ（光ファイバ）１４に励起光を入射するためのレーザ光源２１と、ファイバグレーティング２２及びファイバグレーティング２５が内部に形成されたファイバ１４とで構成されている。
【００２０】
まず、ファイバレーザ２０の基本のレーザ動作について説明する。図１に示すように、レーザ光源２１からの励起光がファイバ１４の一端から入射する。入射した励起光はファイバ１４に含まれるレーザ活性物質で吸収された後、ファイバ１４の内部で基本波の種光が発生する。この基本波の種光は、ファイバ１４に形成されたファイバグレーティング２２とファイバグレーティング２５とを一対の反射ミラーとするレーザ共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、種光はファイバ１４に含まれるレーザ活性物質で増幅されて強度が増大し、レーザ発振に到る。なお、レーザ光源２１は、励起用レーザ電流源３１により電流駆動される。
【００２１】
次に、図１に示す波長変換装置の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２０からレーザ光が出力され、レーザ光がレンズ２６を介して波長変換素子２７に入射する。ファイバレーザ２０からのレーザ光が基本波となり、この基本波は、波長変換素子２７の非線形光学効果により高調波に変換される。この変換された高調波は、ビームスプリッタ２８で一部反射されるが、透過した高調波は、波長変換装置の出力光となる。
【００２２】
ビームスプリッタ２８で一部反射された高調波は、波長変換装置の出力光をモニターするために受光素子２９で受光されて電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度が波長変換装置から所望の出力を得られる強度になるように、出力コントローラ３０は、励起用レーザ電流源３１を制御してレーザ光源２１への駆動電流を調整する。そうすると、レーザ光源２１からの励起光の強度が調整され、ファイバレーザ２０の基本波の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置から出力される波長変換光の出力の強度が調整される。このことにより、波長変換装置の出力の強度は一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作することとなる。
【００２３】
次に、図１の波長変換装置が可視光の緑色レーザを出力する方法について詳細に説明する。ファイバレーザ２０のファイバ１４のコア部分には、レーザ活性物質として希土類元素Ｙｂが１００００ｐｐｍの濃度でドープされている。ファイバ励起用のレーザ光源２１として、波長１９５ｎｍ、最大出力３０Ｗの半導体レーザが使用されている。レーザ光源２１からの励起光をファイバ１４に入射すると、励起光がコア部分で吸収されてコア部分のＹｂの準位を利用して、ファイバ１４から波長約１０６０ｎｍの誘導放出が起こる。この約１０６０ｎｍの誘導放出光は、レーザ活性物質で増幅されてファイバ１４の中を進み、基本波となる。また、ファイバグレーティング２２とファイバグレーティング２５とをレーザ共振器の反射ミラーとして、基本波がこれらの反射ミラー間を往復することにより、波長の選択が行われる。このときのファイバグレーティング２２とファイバグレーティング２５との反射波長帯域幅は、それぞれ１〜５ｎｍ、０．１ｎｍに設定されている。したがって、基本波の波長帯域幅は０．１ｎｍとなり、この基本波がファイバレーザ２０から出力される。
【００２４】
ファイバレーザ２０から出力された約１０６０ｎｍの基本波は、レンズ２６を介して波長変換素子２７に入射する。波長変換素子２７は、入射した光を第２高調波に変換して出力する素子であり、ここでは長さ１０ｍｍの周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶を用いている。ここで、波長変換素子２７において、高調波に変換可能な波長は、位相整合波長と呼ばれ、本実施の形態では２５℃で約１０６０ｎｍに設定されている。したがって、ファイバレーザ２０の基本波の波長約１０６０ｎｍは位相整合波長と一致し、基本波は波長変換素子２７で第２高調波に変換され、１／２の波長である約５３０ｎｍの波長の緑色レーザとなって波長変換装置から出力される。なお、一般的に、波長変換素子２７は、素子の温度により位相整合波長が敏感に変化するため、０．０１℃の精度で温度制御されている。図示を省略しているが、本実施の形態でも、波長変換素子２７にはペルチェ素子が取り付けられており、波長変換素子２７の温度が０．０１℃の精度で制御されている。このようにすると、ファイバレーザ２０の基本波の出力３〜４Ｗまでで、数百ｍＷの緑色レーザを得ることができる。
【００２５】
しかしながら、より高出力の数Ｗ以上の緑色レーザを波長変換装置から得ようとすると、ファイバレーザ２０の基本波の波長と波長変換素子２７の位相整合波長とを一致させることが難しい。すなわち、波長変換素子２７に入射する基本波の出力が３〜４Ｗ以上に大きくなると、波長変換素子２７の内部温度が急激に上昇する。また、一般的にファイバグレーティングと波長変換素子との内部温度に対する波長変化の割合は、それぞれ０．０１ｎｍ／Ｋ、０．０５ｎｍ／Ｋである。これらのことより、基本波が３〜４Ｗまでの低出力のときに比べて、基本波が５〜１０Ｗを超える状態になると、基本波の波長の温度上昇によるシフト量と位相整合波長の温度上昇によるシフト量とが大きく離れる。しかも、そのシフト量は、波長変換素子２７をペルチェ素子で精密に温度制御できる範囲を超えることとなる。
【００２６】
そこで、基本波の波長を選択しているファイバグレーティング２５の内部温度をより上昇させてファイバグレーティング２５を熱膨張させることにより、グレーティングの間隔を拡げる。そうすることで、基本波の波長のシフト量を大きくして、基本波の波長のシフト量と位相整合波長の温度上昇によるシフト量とを一致させる。そのために、図１のファイバグレーティング２５を加熱して内部温度を上昇させることが必要となる。
【００２７】
本実施の形態では、ファイバ１４に基本波又は励起光の一部を吸収するために希土類元素のドーピングを行い、ファイバグレーティング２５を加熱する。すなわち、ファイバ１４のクラッド部には、希土類元素Ｙｂが２００００〜３００００ｐｐｍの濃度でドープされている。このＹｂの準位を利用して基本波の漏れ光や励起光の一部が吸収されて熱を発生し、ファイバグレーティング２５が加熱されて内部温度が上昇する。
【００２８】
なお、ファイバ１４のコア部分には、上記で説明したように励起光を吸収して基本波を発生させるための、レーザ活性物質としての希土類元素Ｙｂが１００００ｐｐｍの濃度でドープされている。このファイバ１４のコア部分の希土類元素Ｙｂでは、主として励起光から基本波が発生するので、ファイバグレーティング２５の加熱効果は少ない。
【００２９】
上記のように、本実施の形態では、ファイバ１４のクラッド部に希土類元素Ｙｂを２００００〜３００００ｐｐｍの濃度でドーピングしているので、レーザの基本波又は励起光の出力の一部を吸収し、吸収により生じた熱で加熱してファイバグレーティングの温度を上昇させることができる。ここで、波長変換素子２７から出力される緑色レーザの出力の大きさは、ファイバレーザ２０から出力される基本波の出力の大きさに比例するため、レーザの基本波又は励起光の出力の一部を吸収して発生される熱量は、緑色レーザの出力の大きさに比例することとなり、ファイバグレーティング２５の温度が波長変換素子２７から出力される緑色レーザの出力に応じて調整されることとなる。この結果、従来よりもファイバグレーティングの温度を大きく上昇させてグレーティングの間隔をより大きくすることができるので、基本波の波長を大きくシフトさせて波長変換素子２７で変換可能な波長と離れないようにシフトさせ、安定したＷ級の高出力を得ることができる。
【００３０】
なお、加熱のためにファイバにドープされる希土類元素は、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ及びＥｕから選択された少なくとも１種であることが好ましく、この希土類元素は、１０００〜３０００ｐｐｍの濃度でドープされていることが好ましい。この場合、選択された希土類元素を、設定した濃度でドーピングすることにより、さらにファイバグレーティングを効果的に加熱することができる。
【００３１】
また、希土類元素は、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｙ及びＬａから選択された少なくとも１種であってもよく、この希土類元素は、２００００〜３００００ｐｐｍの濃度でドープされていることが好ましい。この場合も、選択された希土類元素を、設定した濃度でドーピングすることにより、さらにファイバグレーティングを効果的に加熱することができる。
【００３２】
また、波長変換素子２７から出射される高調波は、波長５１０〜５５０ｎｍの緑色光であり、緑色光の出力は、１Ｗ以上であることが好ましく、１．５Ｗ以上であることがより好ましい。この場合、図２６に示すように紫外光誘起緑色光吸収により緑色光の出力が低下する場合でも、波長変換後の緑色光の出力を、紫外光誘起緑色光吸収による出力低下がない場合のＷ級の高出力まで増加させることができる。
【００３３】
波長変換素子２７から出射される高調波は、波長４４０〜４９０ｎｍの青色光であってもよく、青色光の出力は、０．１Ｗ以上であることが好ましく、０．１５Ｗ以上であることがより好ましい。この場合、紫外光誘起緑色光吸収により青色光の出力が低下する場合でも、波長変換後の青色光の出力を、紫外光誘起緑色光吸収による出力低下がない場合の高出力まで増加させることができる。上記の点に関しては、他の実施の形態も同様である。
【００３４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。上記に説明したファイバレーザ２０は、図１に示すように一組のファイバグレーティング２２とファイバグレーティング２５とをファイバ１４の内部に形成したものを用いた。一方、本実施の形態では、図２に示すように、その一部にファイバグレーティング２２を形成したファイバ（光ファイバ）１５と、その一部にファイバグレーティング２５を形成したファイバ（光ファイバ）２４とを接続部１６で光学的に接続して一体化構成したものが、ファイバレーザ２０ａに用いられる。このようにすると、ファイバレーザ２０ａにおいて、励起光を基本波に効率よく変換するファイバ１５と、基本波の波長を選択するファイバグレーティング２５を効率よく加熱するファイバ２４とをそれぞれ最適な構成で作製することができ、一体化したファイバとして使用することができる。
【００３５】
すなわち、ファイバ１５のコア部分には、レーザ活性物質として希土類元素Ｙｂが１００００ｐｐｍの濃度でドープされ、ファイバ２４のコア部分とクラッド部分とには、ファイバグレーティング２５の加熱のために、希土類元素Ｙｂが２００００〜３００００ｐｐｍの濃度でドープされる。図１のファイバ１４に比べて、励起光が基本波に変換されるファイバ１５では、クラッド部分に希土類元素をドープしていないので、基本波の漏れ光や励起光をクラッド部分で吸収しない。したがって、光の吸収ロスが少ない状態で励起光を基本波に効率よく変換できる。さらに、ファイバ２４は、ファイバ１４に比べて、コア部分の希土類元素Ｙｂのドーピング濃度を２〜３倍にできるので、ファイバグレーティング２５をより効率よく加熱できる。
【００３６】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。本実施の形態では、図３に示すように、その一部にファイバグレーティング２２を形成したファイバ（光ファイバ）１９と、レーザ活性物質を含んだファイバ（光ファイバ）２３と、その一部にファイバグレーティング２５を形成したファイバ（光ファイバ）２４とを、接続部１６と接続部１７とで光学的に接続する。このようにして一体化構成したファイバが、ファイバレーザ２０ｂに用いられる。このようにすると、ファイバレーザ２０ｂにおいて、励起光を基本波に効率よく変換するファイバ２３と、基本波の波長を選択するファイバグレーティング２５を効率よく加熱するファイバ２４とをそれぞれ最適な構成で作製することができ、一体化したファイバとして使用することができる。しかも、ファイバ１９は、希土類元素がドーピングされていないので、光の吸収によるロスがほとんどないこととなる。
【００３７】
例えば、ファイバ２３のコア部分には、レーザ活性物質として希土類元素Ｙｂが１００００ｐｐｍの濃度でドープされ、ファイバ２４のコア部分とクラッド部分とには、ファイバグレーティング２５の加熱のために、希土類元素Ｙｂが２００００〜３００００ｐｐｍの濃度でドープされる。ファイバグレーティング２５と比較してファイバグレーティング２２の波長選択性が強くない場合は、ファイバ１９には、希土類元素をドープする必要がないため、希土類元素をドープしない。
【００３８】
上記で説明した図３のファイバレーザ２０ｂの構成では、図２でのファイバレーザ２０ａの構成と同様の効果が図１のファイバレーザ２０に対して得られる。すなわち、図１のファイバ１４に比べて、励起光が基本波に変換されるファイバ２３では、クラッド部分に希土類元素をドープしていないので、基本波の漏れ光や励起光をクラッド部分で吸収しない。したがって、光の吸収ロスが少ない状態で励起光を基本波に効率よく変換できる。さらに、ファイバ２４は、ファイバ１４に比べて、コア部分の希土類元素Ｙｂのドーピング濃度を２〜３倍にできるので、ファイバグレーティング２５をより効率よく加熱できる。しかも、ファイバ１９には、希土類元素がドーピングされていないので、基本波もしくは励起光の一部が吸収されて熱に変わるようなロスも生じない。
【００３９】
また、本実施の形態では、ファイバにドープする希土類元素を以下のように変更してもよい。ファイバ２３には、レーザ活性物質として、コア部分に希土類元素Ｙｂを１００００ｐｐｍの濃度でドーピングする。ファイバレーザ２０ｂのレーザ共振器の一組の反射ミラーとなるファイバグレーティング２２とファイバグレーティング２５との反射波長帯域幅は、それぞれ１ｎｍ、０．１ｎｍとして、ファイバグレーティング２５での波長選択性を強くする。ファイバグレーティング２２を加熱する必要がないので、ファイバグレーティング２２を内部に形成したファイバ１９は、希土類元素をドーピングしていない。基本波の波長の選択を行うファイバグレーティング２５を効果的に加熱するファイバ２４には、基本波又は励起光の一部を吸収するためのドーピングを行っている。すなわち、ファイバ２４のコア部及びクラッド部へドープする希土類元素は、Ｎｄとし、その添加濃度は１０００〜３０００ｐｐｍとする。
【００４０】
図４に、図３のファイバ２４のファイバグレーティング２５の近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図を示す。
【００４１】
ファイバ２４のコア部分４２とクラッド部分４３とは、希土類元素Ｎｄが１０００〜３０００ｐｐｍの割合でドーピングされている。この希土類元素のドーピングにより基本波や励起光を吸収する準位が形成される。なお、ファイバ２４のクラッド部分４３の外側は被覆部４４で覆われている。ファイバ２３のレーザ活性物質により発振したレーザは、波長変換装置の基本波として、ファイバ２４にも伝播する。図４でファイバ２４を伝播する基本波４５と励起光４６とは、希土類元素により形成された準位によって、その一部が吸収されて熱に変わる。特にファイバグレーティング２５の近傍で発生した熱は、直接、ファイバグレーティング２５を加熱して温度を上昇させる。温度上昇が起こると、ファイバグレーティング２５が形成されたコア部分４２が熱膨張し、グレーティングの間隔が拡がることで基本波の波長が長波長側にシフトする。
【００４２】
通常のファイバアンプやファイバレーザの構成では、ファイバグレーティング２５を加熱する目的がないので、加熱する目的でファイバのコア部分やクラッド部分に希土類元素をドーピングしない。本実施の形態では、ファイバグレーティング２５を加熱する目的で希土類元素をドーピングしているので、加熱による温度上昇量が大きい。したがって、通常のファイバレーザ等の構成に比べて、基本波の波長は、長波長側に大きくシフトすることになる。この希土類元素のドーピングによる内部加熱効果を利用すると、波長変換装置から高出力の数Ｗ以上の緑色レーザを得ることができる。その理由を以下に説明する。
【００４３】
通常のファイバレーザの構成のままでは、基本波が５〜１０Ｗを超える状態になると基本波の波長の温度上昇によるシフト量と、位相整合波長の温度上昇によるシフト量とが大きく離れる。しかし、希土類元素のドーピングによる内部加熱効果を利用すると、ファイバグレーティング２５の温度上昇量を通常の構成の場合よりも数倍から一桁大きくすることができる。そうすると、ファイバグレーティング２５での基本波の波長のシフト量と波長変換素子２７の位相整合波長のシフト量とを略一致させることができる。
【００４４】
その結果、波長変換素子２７に取り付けたペルチェ素子等の温度制御装置で温度を微調整することで基本波の波長のシフト量と位相整合波長のシフト量を一致させて、高出力の数Ｗ以上の緑色レーザを安定に得ることができる。
【００４５】
さらに、波長変換素子２７での変換効率を高めるためには、波長変換素子２７に入射する基本波の出力は、直線偏光であることが望ましい。本実施の形態では、ファイバ１９、ファイバ２３及びファイバ２４は全て、偏波保持型ファイバを用いており、ファイバレーザ２０ｂから波長変換素子２７へ入射する基本波の出力は、直線偏光となっている。なお、ファイバ１９、ファイバ２３及びファイバ２４のいずれか１つのファイバを偏波保持型でない通常のファイバとしてもよく、ファイバレーザ２０ｂにポラライザを挿入することで基本波の出力を直線偏光としてもよい。
【００４６】
基本波の出力に対する通常のファイバグレーティングでの温度上昇量Ｌ１と本実施の形態におけるファイバグレーティング２５での温度上昇量Ｌ２との測定結果について、図５に示す。通常のファイバグレーティングの温度上昇量Ｌ１は、基本波の出力に対して比例して増加する。一方、本実施の形態では、基本波の出力が４Ｗ程度までのファイバグレーティング２５の温度上昇量Ｌ２は、通常よりやや低い傾きで比例して増加する。基本波の出力が約４．５Ｗを超えると、基本波の出力の増加に対して温度上昇量Ｌ２が急激に増加する。この理由については、基本波の出力が約４．５Ｗを超えると、ファイバに希土類元素をドープした効果が顕著に現れる結果と考えられる。この効果は、特にファイバ２４のコア部分に希土類元素Ｎｄを１０００〜３０００ｐｐｍの濃度でドーピングしたときに著しい。
【００４７】
基本波の出力に対するファイバグレーティング２５での反射波長変化量Ｌ３と波長変換素子２７での位相整合波長変化量Ｌ４との測定結果について、図６に示す。図５での基本波の出力に対するファイバグレーティング２５の温度上昇量が反映して反射波長変化量となったものが図６でのグラフである。したがって、図５に示すファイバグレーティング２５の温度上昇量Ｌ２と、図６に示すファイバグレーティング２５の反射波長変化量Ｌ３とは、基本波の出力に対して同様の変化を示していることがわかる。
【００４８】
また、基本波の出力に対する波長変換素子２７での位相整合波長変化量Ｌ４も、ファイバグレーティング２５での反射波長変化量Ｌ３に比べて、少し大きい値で同じ変化の傾向を示している。すなわち、図６から、本実施の形態では、ファイバグレーティング２５での基本波の波長のシフト量と、波長変換素子２７の位相整合波長のシフト量とが略一致していることがわかる。このことにより、波長変換素子２７に取り付けたペルチェ素子で温度を微調整することで、基本波の波長のシフト量と位相整合波長のシフト量を一致させて、高出力の数Ｗ以上の緑色レーザが安定に得られる。本実施の形態では、基本波の出力が９Ｗのときに、２．３Ｗの緑色レーザが安定に得られた。
【００４９】
なお、上記の各実施の形態では、ファイバとしてクラッド部分が単一のものを使用したが、ダブルクラッド構造のファイバを使用してもよい。図７にダブルクラッド構造のファイバ５０におけるファイバグレーティング２５の近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図を示す。ダブルクラッド構造のファイバ５０は、２つのクラッド部分５３、５７のうち、内側のクラッド部分５３を外側のクラッド部分５７に比べて屈折率を高くする等して、励起光５６をより効率的に内側のクラッド部分５３に閉じ込めてファイバ５０中を伝播させることができる。なお、外側のクラッド部分５７の外周は、被覆部５４で覆われている。
【００５０】
さらに、コア部分５２を伝播する基本波５５又は励起光５６の一部を吸収してファイバグレーティング２５が加熱されるために、このダブルクラッド構造のファイバ５０のクラッド部分５３及びクラッド部分５７の少なくとも１つに、上記と同様に希土類元素がドープされた構造としてよい。この構成により、基本波５５の波長のシフト量と波長変換素子２７の位相整合波長のシフト量とを一致させて、数Ｗ以上の高出力の緑色レーザが安定に得られる。
【００５１】
また、ファイバ１９、ファイバ２３及びファイバ２４が連続した１つのファイバとして作製した図１のファイバ１４と同様の構成を用いてもよい。このファイバ１４のクラッド部分に希土類元素をドーピングしないでコア部分にだけ希土類元素をドーピングする場合は、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ及びＥｕの希土類元素の少なくとも１つの元素が１０００ｐｐｍ未満でドープされると、ファイバグレーティング２５の加熱効果がやや少なくなることがある。これらの希土類元素の少なくとも１つの元素をドーピングするときは、ファイバグレーティング２５の加熱効果を高めるために、１０００〜３０００ｐｐｍの範囲でドープすることが望ましい。この場合は、本実施の形態の図６に示されるような顕著な加熱効果が得られる。
【００５２】
なお、希土類元素がファイバにドープされる量が下限を下回ると、光を吸収する量が少ないので、ファイバグレーティングの加熱効果が少ない。逆に、希土類元素がファイバにドープされる量が上限を上回るとファイバグレーティングが加熱され過ぎて内部温度が不安定となり、波長変換装置の可視光出力を制御できなくなる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態による波長変換装置に用いられるファイバのファイバグレーティングの近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図である。図８のファイバ６０は、第３の実施の形態で説明した図４のファイバ２４を、そのファイバグレーティング２５が形成されている領域にあるクラッド部分４３の外側で再被覆部分４７により覆ったものであり、本実施の形態の他の構成は、第３の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を省略して特徴部分を主に説明する。
【００５４】
再被覆部分４７は、基本波４５又は励起光４６の出力の一部を吸収する材料でできている。本実施の形態では、フッ素系ポリマーと、粒径数μｍの光吸収体とを混合したものを、図８のファイバ６０のクラッド部分４３の周囲に塗布して再被覆部分４７とした。なお、光吸収体としては、空気等の気泡、カーボン、希土類酸化物等が望ましく、これらをフッ素系ポリマーに１〜５体積％程度混ぜたものとした。この場合に、基本波４５のファイバグレーティング２５で反射された光又は励起光４６の一部が、再被覆部分４７で吸収される。再被覆部分４７は加熱部として働くので、ファイバグレーティング２５は加熱される。このようにすると、ファイバグレーティング２５で温度上昇が起こり、グレーティング間隔が拡がるので、基本波の波長が長波長側にシフトする。
【００５５】
このときに同時に、ファイバ６０のクラッド部分４３に希土類元素のＥｒを１０００〜３０００ｐｐｍドープしたものを使用した。再被覆部分４７での加熱効果に加えて、さらに、基本波４５もしくは励起光４６の出力の一部をクラッド部分４３で吸収してファイバグレーティング２５を加熱する効果が確認された。
【００５６】
図９は、本発明の第４の実施の形態による波長変換装置に用いられる他のファイバのファイバグレーティングの近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図である。図９に示すように、図７に示すようなダブルクラッド構造のファイバを用い、ファイバグレーティング２５が形成されている領域に位置する外側のクラッド部分５７の外周を、再被覆部分４７により覆うようにしてもよい。図９のファイバ６５は、内側のクラッド部分５３に希土類元素のＥｒを１０００〜３０００ｐｐｍドープし、さらにファイバグレーティング２５近傍の外側のクラッド部分５７の外周に再被覆部分４７を形成したものである。
【００５７】
この場合も、図８のファイバ６０と同様に、再被覆部分４７での加熱効果に加えて、さらに、基本波５５もしくは励起光５６の出力の一部をクラッド部分５３で吸収してファイバグレーティング２５を加熱する効果が確認された。
【００５８】
なお、図８及び図９の再被覆部分４７は、光を吸収して発熱するが、難燃性の材料でできている。したがって、ファイバ６０、６５の材料として、安全性に十分配慮された材料が選定されており、高い信頼性が得られる。
【００５９】
また、再被覆部分４７の材料としては、屈折率が１．３７〜１．４３の範囲の材料を用いることが好ましく、例えば、フッ素系ポリマーをベースに、色素を添加した材料又は気泡を入れた材料を用いることが好ましい。このようにすると、通常のコート材の屈折率１．３５〜１．３６に比べて屈折率が高いので、基本波の反射光や励起光の一部をより吸収しやすい。すなわち、基本波の反射光や励起光の一部を最適な量だけ吸収して、ファイバグレーティング２５を加熱することができる。また、屈折率が１．４３を超えると、ファイバ６０やファイバ６５は、励起光を吸収し過ぎて加熱され過ぎたり、又は励起光のロスが大きくなり過ぎたりするため、好ましくない。
【００６０】
なお、上記の第１乃至第４の実施の形態では、ファイバ２４等のコア部分にＮｄ及びＥｒを用いて説明したが、コア部分にＮｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ及びＥｕから選択された少なくとも１つの希土類元素が１０００〜３０００ｐｐｍの濃度にドープされているか、又は、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｙ及びＬａから選択された少なくとも１つの希土類元素が２００００〜３００００ｐｐｍの濃度にドープされている構成としても、同様の効果が得られる。
【００６１】
また、上記の第１乃至第４の実施の形態では、ファイバ２４等のクラッド部分にＮｄ及びＥｒを用いて説明したが、ファイバ２４のクラッド部分に、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ及びＥｕの希土類元素の少なくとも１つの元素が１０００〜３０００ｐｐｍの割合でドープされる、もしくはＹｂ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｙ及びＬａの希土類元素の少なくとも１つの元素が２００００〜３００００ｐｐｍの割合でドープされる構造とすると加熱効果がさらに高くなる。
【００６２】
上記の希土類元素がファイバにドープされる量が下限を下回ると、ファイバグレーティング２５を効果的に加熱することができない。逆に、希土類元素がファイバにドープされる量が上限を上回ると、ファイバグレーティングが加熱され過ぎて温度が不安定になり、波長変換装置の可視光出力を制御できなくなる。
【００６３】
また、ファイバ２４等のコア部分やクラッド部分にドーピングする希土類元素は、複数の元素を組み合わせても、本実施の形態と同様の効果が得られる。また、２種類以上の希土類元素を同時にドーピングすると、単一の元素でできる準位以外の準位を形成する。さらに、これらの準位間のエネルギーギャップ差が１．０ｅＶ以下となるように準位を形成すると、この１．０ｅＶ以下の準位間の遷移が熱エネルギーに変わり、ファイバグレーティング２５の加熱効果を高めることができる。
【００６４】
（第５の実施の形態）
図１０は、本発明の第５の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図であり、図１１は、図１０に示す波長変換装置のファイバグレーティング２５及び波長変換素子２７の近傍を拡大した概略図である。図１０に示す第５の実施の形態にかかる波長変換装置は、波長変換素子２７と、波長変換素子２７の入力となる基本波の出力であるレーザ光を出力するファイバレーザ２０ｃとからなる構造を基本とし、図３の構成に加えて、ファイバレーザ２０ｃで基本波の出力の一部を検出することにより、波長変換後の光出力の強度の制御をより精度よく行い、さらに安定なＡＰＣ動作が可能な構成となっている。
【００６５】
すなわち、基本波の出力としては、ファイバ２３からカップラ等で取り出された基本波の出力の一部３２が、受光素子３３で検出されて出力コントローラ３０ａに取り込まれる。あるいは、基本波の出力としては、ファイバグレーティング２５で反射された光が取り出されて基本波の出力の一部３４となり、基本波の出力の一部３４は、受光素子３５で検出されて出力コントローラ３０ａに取り込まれる構成としている。この基本波の出力を検出する方法としては、どちらの基本波の出力の一部３２、３４を検出して行ってもよく、これと対応した受光素子３３、３５を用いればよい。
【００６６】
さらに、本実施の形態は、第３の実施の形態の構成に加えて、波長変換素子２７の温度上昇を抑制する手段を備えている。このことにより、波長変換素子２７での位相整合波長の変化量をより小さく抑える。そして波長変換装置がＷ級の高出力動作をするときでも、ファイバレーザ２０ｃの基本波の出力の波長と位相整合波長とが安定に略一致することをより容易にできるようにする。
【００６７】
波長変換素子２７の温度上昇を抑制する手段として、図１１で示す波長変換素子２７を温度制御素子で冷却し、ここでは、温度制御素子として、ペルチェ素子３７を使用した。波長変換素子２７を冷却することでペルチェ素子３７に発生する熱５８がファイバグレーティング２５に伝達するように、波長変換素子２７とファイバグレーティング２５との保持台として、共用の保持台３８を用いている。
【００６８】
しかも、図１１に示すように、ペルチェ素子３７で発生した熱が周囲に拡散しないように共通の保持台３８やファイバグレーティング２５の保持ブロック３９は、その周囲を絶縁体の樹脂１８で覆われている。このようにして、図１１に示すペルチェ素子３７で発生した熱５８は、保持台３８と保持ブロック３９とを介してファイバグレーティング２５の形成領域に効率よく伝えられ、ファイバグレーティング２５を効果的に加熱する。
【００６９】
次に、図１０のファイバ２３及びファイバ２４で発生した図１１に示す基本波の出力４８を増大して波長変換素子２７から安定な高出力光４９を得る場合について述べる。緑色レーザが数百ｍＷの低出力動作時に比べて、Ｗ級の高出力動作時には、波長変換素子２７の内部温度も大きく増大し、位相整合波長も低出力時からは大きく変化し、入射波である基本波の出力４８の波長と一致させることが難しい。そこで、第３の実施の形態で述べたようにファイバ２４に希土類元素のドーピングを行い、ファイバグレーティング２５の温度が従来の数倍程度に上昇することにより、基本波の出力４８の波長を長波長にシフトさせて波長変換素子２７の位相整合波長に近づける。
【００７０】
さらに、波長変換素子２７を冷却することで発生するペルチェ素子３７の熱５８をファイバグレーティング２５まで効率よく伝導するために、保持台３８は、熱の良導体である銅で作製され、保持台３８の表面は全て、銅から熱が拡散しないように、絶縁体の樹脂１８でコーティングされている。また、熱５８を効率よくファイバグレーティング２５に伝導するために、保持ブロック３９も、真鍮製の金属又は金属と同等の熱伝導率の材料で構成した。
【００７１】
このようにすると、波長変換装置から同じ高出力を得る場合に、熱５８を効果的にファイバグレーティング２５に移動させることによって、波長変換素子２７の温度上昇を抑制することができる。
【００７２】
（第６の実施の形態）
図１２は、本発明の第６の実施の形態による波長変換装置のファイバグレーティングと波長変換素子とを結合する光学系の構成を主に示す概略図である。本実施の形態の基本的な構成は、図１０に示すものと同じである。図１０と異なるのは、ファイバレーザ２０ｃの出力光と波長変換素子２７とを結合する光学系の部分である。すなわち、図１０では、この光学系はレンズ２６だけであるが、本実施の形態では、この光学系はレンズ２６にシリンドリカルレンズ３６を加えた構成とし、波長変換素子２７の内部温度の上昇を抑制する。
【００７３】
図１２は、ファイバレーザ２０ｃの出力部すなわちファイバグレーティング２５から波長変換装置の出力部すなわち波長変換素子２７の出力側までの構成の上面図を示している。図１２に示すように、ファイバ２４に形成されたファイバグレーティング２５からのファイバレーザの基本波は、レンズ２６とシリンドリカルレンズ３６とを介して波長変換素子２７に入射する。入射した基本波は、波長変換素子２７で非線形光学効果により基本波の第２高調波に変換される。この変換された第２高調波出力が波長変換装置の出力光となる。
【００７４】
ここで、シリンドリカルレンズ３６は、基本波の出力の強度に対応して光軸と平行な方向５９に沿って移動可能であり、この移動に対応して波長変換素子２７の基本波の出力の入射面での光ビームの幅６９は拡がる。なお、移動については、基本波の出力の大きさに応じて変化する信号に対応して動く圧電素子や電磁誘導を利用したレンズアクチュエータ等に、シリンドリカルレンズ３６を取り付けて行う。すなわち、基本波の出力が低出力の場合は、シリンドリカルレンズ３６は、波長変換素子２７の端面での光ビームの幅６９が最小になるような位置まで光軸と平行な方向５９に沿って移動する。
【００７５】
次に、図１０に示す波長変換装置と同様に、基本波の出力の一部３２又は基本波の出力の一部３４を受光素子３３又は受光素子３５で検出し、基本波の出力の増加を検出した場合を考える。この場合は、基本波の出力の増加量の大きさに応じてシリンドリカルレンズ３６は、例えば光軸と平行な方向５９に沿って波長変換素子２７から少しずつ離れることにより光ビームの幅６９を拡げていく。このようにして、波長変換素子２７の中での単位体積当りの光ビームの強度が大きくなり過ぎないようにして、波長変換素子２７の素子内部での温度上昇を抑制することができる。
【００７６】
なお、この場合、基本波の出力の強度を検出して、強度の大小に対応して圧電素子にかかる電圧を変化させることでシリンドリカルレンズ３６の位置を変えてもよい。また、焦点距離の異なる複数のシリンドリカルレンズ３６を準備し、基本波の出力の強度の大小に対応して複数のシリンドリカルレンズ３６を置き換えて使い分ける構成としてもよい。
【００７７】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態について図１３を参照して説明する。図１３は、本発明の第７の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。図１３は、図１０と略同じ構成であり、ファイバレーザ２０ｄのファイバグレーティング２５と波長変換素子２７とはどちらも、温度制御手段としてペルチェ素子６６、６７で温度制御を行うことができる点が異なる。波長変換装置全体としては、ペルチェ素子６６、６７も含めて出力コントローラ３０ｂで各動作が制御される。
【００７８】
本実施の形態では、波長変換装置の出力の一部を受光素子２９で検出し、基本波４５の出力を受光素子３３、３５で検出する。また、波長変換装置の環境温度をパラメータにして、基本波の出力と波長変換装置の出力との関係を表すデータ、及び基本波の出力に対する基本波の波長のシフト量や位相整合波長のシフト量のデータを予め測定し、そのデータをテーブルとして出力コントローラ３０ｂに記憶させておく。これらのテーブルのデータを基に波長変換素子２７での変換効率が最大になるように、出力コントローラ３０ｂの制御の下にペルチェ素子６６でファイバグレーティング２５を加熱するもしくはペルチェ素子６７で波長変換素子２７を冷却している。この結果、最終的には基本波の出力波長のシフト量と位相整合波長のシフト量との差をゼロにして、安定なＷ級の高出力動作が得られる。
【００７９】
また、図１３のファイバ２４として、図１４に示すファイバ７０を用いることができる。図１４は、ファイバ７０に形成されたファイバグレーティング２５の領域の近傍について詳細な構成を示す図であり、ファイバグレーティング２５の近傍を保持部材６３で保持されたファイバ７０の構成を示している。なお、この保持部材６３は、ファイバ７０の被覆部４４に接着剤６４で接着されて固定されている。
【００８０】
保持部材６３は、基本波４５のうちファイバグレーティング２５で反射された光や励起光４６の漏れ光を吸収して発熱する。また、発熱したときに、保持部材６３の熱膨張係数がファイバのコア部分４２及びクラッド部分４３の熱膨張係数より大きいので、保持部材６３は、熱膨張により接着剤６４を介してファイバ７０の被覆部４４を、図１４に示す左右の方向６１に引っ張る。したがって、ファイバグレーティング２５は、外側の方向６２に引っ張り応力を加えられる。そうすると、グレーティングの間隔が大きくなるので、基本波４５の波長が長波長側にシフトする。
【００８１】
従来の波長変換装置からＷ級の出力を得ようとするとき、波長変換素子の内部温度が大きく上昇して位相整合波長が大きく変化するので、入射する基本波の波長と一致させることは難しく、安定な高出力動作も難しい。しかしながら、ファイバ７０を用いた場合、上記で述べた保持部材６３での応力の効果と、ファイバ７０への希土類元素の最適なドーピングによるファイバグレーティング２５の加熱効果とで、グレーティングの間隔が大きくなって基本波４５の波長が長波長側にシフトする。その結果、基本波の波長のシフト量と位相整合波長のシフト量との差を小さくできる。
【００８２】
なお、図１４の保持部材６３は、難燃性の材料でできており、ファイバ７０は、安全性に十分配慮された材料が選定されている。また、図１４でファイバ７０のクラッド部分４３の外側のうち、ファイバグレーティング２５が形成された領域だけが被覆されていないが、この部分に再被覆部分を設けてもよい。
【００８３】
（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態においては、予め記憶されたテーブルのデータに基づき波長変換後のレーザ出力を制御する。第８の実施の形態の波長変換装置全体の構成は、図１３に示す構成と同様であるので図示を省略し、図１３を用いて制御動作を説明する。
【００８４】
本実施の形態では、波長変換装置の出力光が受光素子２９で検出され、基本波の出力の一部３２、３４が受光素子３３、３５で検出できるようになっており、少なくともどちらか一方を使用する。また、ファイバ２４のファイバグレーティング２５と波長変換素子２７とは、それぞれペルチェ素子６６、６７で温度制御が可能となっている。上記の受光素子２９、３３、３５とペルチェ素子６６、６７とは全て、出力コントローラ３０ｂに接続され、全体が制御されている。
【００８５】
通常、基本波の出力に対するファイバグレーティングでの反射波長変化量は、０．０１ｎｍ／Ｋの変化で変わるので、基本波の出力が５〜１０Ｗになり、波長変換素子の内部温度が上昇すると、０．０５ｎｍ／Ｋの変化で変化する波長変換素子の位相整合波長の変化量が非常に大きくなり、調整困難となってしまう。
【００８６】
そこで、本実施の形態では、第３乃至第７の実施の形態に示すように、ファイバ２４のコア部やクラッド部等に希土類元素をドーピングして基本波の出力や励起光の一部を吸収することにより、ファイバグレーティング２５を加熱し、内部温度を上昇させている。その結果、基本波の出力が５〜１０Ｗ程度になっても、従来よりもファイバグレーティングが形成された領域の内部温度が上昇するので、ファイバグレーティング２５での反射波長変化量は、図６に示すように従来よりも大きい変化が得られる。
【００８７】
このように、基本波の出力が５〜１０Ｗになっても、波長変換素子２７の位相整合波長変化量とファイバグレーティング２５の反射波長変化量とが、図６に示すように基本波の出力に対して略同じ変化量となるように構成できる。また、ペルチェ素子６６、６７を用いて温度制御をすることにより、ファイバグレーティング２５で選択された基本波の波長を、波長変換素子２７の位相整合波長に正確に合わせることができる。その結果、約１０６０ｎｍの赤外の基本波が波長変換素子２７で第２高調波に変換され、５３０ｎｍの緑色のＷ級の高出力光が得られる。
【００８８】
さらに安定に動作させるためには、基本的なデータを予め測定してテーブル化することが有効である。すなわち、環境温度をパラメータにして、基本波の出力に対するファイバグレーティング２５での反射波長変化量をとる。併せて環境温度をパラメータにして、基本波の出力に対する波長変換素子２７での位相整合波長変化量をとる。これらのデータをテーブル化して予め入力して図１３の出力コントローラ３０ｂに記憶させておく。そのうえで、波長変換装置の基本波の出力を検出し、テーブル化したデータを参照しながら、ファイバグレーティング２５と波長変換素子２７とを高精度に温度制御することで安定な可視光のＷ級の光出力を得ることができる。
【００８９】
また、上記の温度制御を行うときに、図１５に示すように、基本波の出力に対する波長変換素子２７の位相整合波長変化量Ｌ５だけでなく、基本波の出力に対する波長変換素子２７の温度上昇幅Ｌ６等のデータも予めとっておき、記憶されるデータとしてテーブル化しておくことが好ましく、テーブル化したデータを参照しながら、ファイバグレーティング２５と波長変換素子２７とをより高精度に温度制御することができる。
【００９０】
（第９の実施の形態）
図１６は、本発明の第９の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。第９の実施の形態の波長変換装置は、波長変換素子２７の保持台に温度センサー６８を備え、ファイバグレーティング２５をペルチェ素子６６等で温度制御を行う。すなわち、本実施の形態では、第７の実施の形態で示した波長変換素子２７を制御するペルチェ素子６７に代えて、温度センサー６８が波長変換素子２７の温度を検出している。このような構成にすると、図１５に示すように、基本波の出力に対して波長変換素子２７の位相整合波長変化量と素子温度上昇幅とを把握できる。これらの量を把握できると、波長変換素子２７の位相整合波長に対して、その入射波である基本波の波長を合わせ込むことができる。この基本波の波長は、ファイバグレーティング２５の温度を制御するペルチェ素子６６により高精度に制御されるので、上記に説明したように、本波長変換装置よりＷ級の可視光レーザを安定に出力できる。
【００９１】
（第１０の実施の形態）
図１７は、本発明の第１０の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。図１７に示す波長変換装置は、ファイバレーザ２０ｅ、レンズ２６、波長変換素子２７、ビームスプリッタ２８、受光素子２９、出力コントローラ３０ｃ、励起用レーザ電流源３１及びペルチェ素子６６、６７を備える。なお、出力コントローラ３０ｃは、波長変換素子２７の温度が一定になるようにペルチェ素子６７をも制御するが、波長変換素子２７の温度制御を行わない場合、ペルチェ素子６７を省略してもよい。
【００９２】
ファイバレーザ２０ｅは、ファイバ（光ファイバ）１４ａに励起光を入射するためのレーザ光源２１と、ファイバグレーティング２２及びファイバグレーティング２５が内部に形成されたファイバ１４ａとで構成されている。ファイバ１４ａのコア部分には、レーザ活性物質として希土類元素Ｙｂが１００００ｐｐｍの濃度でドープされているが、クラッド部には、希土類元素がドープされていない。また、ファイバグレーティング２５の温度は、ペルチェ素子６６により制御される。これらの点以外は、ファイバレーザ２０ｅは、図１に示すファイバレーザ２０と同様に構成され、同様に動作する。
【００９３】
出力コントローラ３０ｃは、Ａ／Ｄ変換器７１、判定回路７２、Ｄ／Ａ変換器７３、ＰＷＭ信号発生器７４、電流−出力値テーブル７５、及びレジスタ７６を備える。出力コントローラ３０ｃは、ペルチェ素子６６を用いて、ファイバグレーティング２５の温度を制御する。なお、必要に応じて、波長変換装置内の所定箇所の温度を測定するサーミスタを設けるようにしてもよい。
【００９４】
電流−出力値テーブル７５には、工場出荷時の各設定値が予め記憶されており、レーザ光源２１に供給される電流値に対する緑色光の出力値がテーブル形式で記憶され、これらの値が制御を行う際の基準値となる。レジスタ７６は、制御時に使用される電流値及び出力値を一時的に記憶するために用いられる。
【００９５】
本波長変換装置が出力すべき緑色光の出力値は、外部信号である光量制御信号ＬＣに応じて決定される。電流−出力値テーブル７５は、光量制御信号ＬＣを受け、光量制御信号ＬＣによって設定される緑色光の出力値を判定回路７２へ通知する。判定回路７２は、マイクロコンピュータ等から構成され、電流−出力値テーブル７５を参照して、光量制御信号ＬＣによって設定された出力値に対応する電流値をＤ／Ａ変換器７３を介して励起用レーザ電流源３１へ通知する。
【００９６】
受光素子２９は、ビームスプリッタ２８により一部反射された緑色光を受光し、受光した緑色光の大きさに応じた電圧信号である出力検出信号をＡ／Ｄ変換器７１へ出力する。Ａ／Ｄ変換器７１は、アナログ形式の出力検出信号をデジタル形式の出力検出信号へ変換して判定回路７２へ出力する。判定回路７２は、出力検出信号に応じてペルチェ素子６６を用いて、ファイバグレーティング２５の温度を制御する。
【００９７】
次に、判定回路７２によるファイバグレーティング２５の温度制御について説明する。図１８は、波長変換素子２７の温度が低下した場合の位相整合波長の変化を表す模式図であり、図１９は、波長変換素子２７の温度が上昇した場合の位相整合波長の変化を表す模式図である。
【００９８】
まず、装置の立ち上げ後の待機状態において、判定回路７２は、ファイバグレーティング２５の温度を待機温度にするためのＰＷＭ信号を出力するようにＰＷＭ信号発生器７４に指示し、ＰＷＭ信号発生器７４は、ペルチェ素子６６を用いてファイバグレーティング２５の温度を待機温度に調整する。ここで、待機温度としては、たとえば、高調波強度がピークとなる位相整合温度の８５〜９５％となり且つ位相整合温度より低い温度を用いることができる。
【００９９】
上記のようにファイバグレーティング２５の温度が待機温度に制御され、波長変換素子２７から出力される緑色光がピーク出力の８５〜９５％となる待機位置で緑色光を出力しているときに、波長変換素子２７の温度が低下すると、図１８に示すように、緑色光の出力に対する位相整合波長の特性曲線は、矢印Ａ１で示すように、実線から破線へ変化して図中の左側すなわち短波長側へシフトする。ここで、上記の待機位置が点Ｐ１である場合、矢印Ａ２で示すように、緑色光の出力は点Ｐ２へ移動して上昇する。このとき、ファイバグレーティング２５の温度を低下させて基本波の波長を短波長側へシフトすると、矢印Ａ３で示すように、緑色光の出力は、点Ｐ３へ移動して点Ｐ１と同じ出力となり、出力を回復させることができる。
【０１００】
一方、上記の待機位置で緑色光を出力しているときに、波長変換素子２７の温度が上昇すると、図１９に示すように、緑色光の出力に対する位相整合波長の特性曲線は、矢印Ａ４で示すように、実線から破線へ変化して図中の右側すなわち長波長側へシフトする。ここで、上記の待機位置が点Ｐ４である場合、矢印Ａ５で示すように、緑色光の出力は点Ｐ５へ移動して低下する。このとき、ファイバグレーティング２５の温度を上昇させて基本波の波長を長波長側へシフトすると、矢印Ａ６で示すように、緑色光の出力は、点Ｐ６へ移動して点Ｐ４と同じ出力となり、出力を回復させることができる。
【０１０１】
上記のように波長変換素子２７の位相整合波長を待機位置に設定することにより、動作時の環境温度をモニターすることができる。つまり、波長変換素子２７の位相整合波長が待機位置にある場合、緑色光の出力が上昇すれば、環境温度が低下しており、緑色光の出力が低下すれば、環境温度が上昇していることがわかるため、この出力値を基にファイバグレーティング２５の温度を制御することができる。
【０１０２】
図２０は、図１７に示す判定回路７２によるファイバグレーティング２５の温度制御処理を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１において、判定回路７２は、光量制御信号ＬＣに応じて決定された緑色光の出力値を電流−出力値テーブル７５から取得し、波長変換素子２７の出力値が取得した出力値となるように、Ｄ／Ａ変換器７３を介して、励起用レーザ電流源３１の電流値を制御する。
【０１０３】
次に、ステップＳ２において、判定回路７２は、励起用レーザ電流源３１の電流値が所定の使用可能範囲内にあることを確認するとともに、受光素子２９から出力される出力検出信号から緑色光の出力値が変動したか否かを判定し、緑色光の出力値が変動して下降しているときはステップＳ３へ処理を移行し、上昇しているときはステップＳ５へ処理を移行する。一方、緑色光の出力値が変動していない場合は、ステップＳ１以降の処理を繰り返し、光量制御信号ＬＣに応じた緑色光が出力される。
【０１０４】
緑色光の出力値が下降している場合、ステップＳ３において、判定回路７２は、ペルチェ素子６６に流れる平均電流値を増加させるようにＰＷＭ信号発生器７４に指示し、ＰＷＭ信号発生器７４は、ペルチェ素子６６の温度を低下させてファイバグレーティング２５を冷却する。次に、ステップＳ４において、判定回路７２は、励起用レーザ電流源３１の電流値が所定の使用可能範囲内にあることをチェックするとともに、受光素子２９から出力される出力検出信号から緑色光の出力値をチェックする。
【０１０５】
一方、緑色光の出力値が上昇している場合、ステップＳ５において、判定回路７２は、ペルチェ素子６６に流れる平均電流値を減少させるようにＰＷＭ信号発生器７４に指示し、ＰＷＭ信号発生器７４は、ペルチェ素子６６の温度を上昇させてファイバグレーティング２５を加熱する。次に、ステップＳ６において、判定回路７２は、励起用レーザ電流源３１の電流値が所定の使用可能範囲内にあることをチェックするとともに、受光素子２９から出力される出力検出信号から緑色光の出力値をチェックする。
【０１０６】
ステップＳ４又はＳ６の処理が終了した後、判定回路７２は、上記の処理を実行した後の緑色光の出力値に対する励起用レーザ電流源３１の電流値と初期電流値とを比較し、両者の差が所定範囲内に収まっている場合は、ステップＳ１以降の処理を継続し、両者の差が所定範囲内から外れていれる場合は、ステップＳ３、Ｓ５以降の処理を継続する。
【０１０７】
上記の処理により、本実施の形態では、緑色光の出力値に応じてファイバグレーティング２５を加熱することができるので、位相整合波長の温度上昇によるシフト量と基本波の波長のシフト量とを一致させることができ、波長変換素子２７からＷ級の高出力な緑色光を安定して得ることができる。
【０１０８】
また、本実施の形態では、波長変換素子２７の温度をペルチェ素子６７で制御しているが、波長変換素子２７の温度上昇は、基本波の入力側より波長変換光の出力側の方が大きいため、下記のように、ペルチェ素子６７の代わりに複数のペルチェ素子を用いて波長変換素子２７の入力側の部分と出力側の部分とを個別に温度制御するようにしてもよい。
【０１０９】
図２１は、複数のペルチェ素子により波長変換素子の温度制御を行う場合の構成図である。図２１に示すように、波長変換素子２７の光の伝搬方向に複数のペルチェ素子１１０、１１１が配置される。波長変換素子２７には、周期状の分極反転領域１０２が形成されており、分極反転領域１０２は、電界印加法により作製した。
【０１１０】
波長変換素子２７の基板の厚みは１ｍｍであり、分極反転領域１０２は、基板結晶のＹ軸に沿って形成されている。また、分極反転領域１０２は、基板の＋Ｚ面から−Ｚ面側に向かって形成されている。分極反転周期Λは、６．９７μｍで形成され、波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換することができる。
【０１１１】
波長変換素子２７の表面には、放熱のために、放熱剤１０８を介して２枚の銅板１０９が貼り付けられ、さらに、放熱剤１０８を介して２枚の銅板１０９にペルチェ素子１１０、１１１が貼り付けられている。波長変換素子２７の温度を制御するための温調制御素子として、２つのペルチェ素子１１０、１１１を用い、ペルチェ素子１１０及びペルチェ素子１１１は、光の伝搬方向に並ぶように配置され、それぞれが独立した温度で制御することができる。
【０１１２】
図２２は、波長変換素子２７の入射面１０６からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。例えば、波長変換素子２７において、波長１０６４ｎｍの基本波を波長５３２ｎｍのＳＨＧ（高調波）に変換する場合、基本波の入力を１０Ｗ、基本波の集光径をφ３３μｍ、基本波のビーム品質をほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子２７の長さが１０ｍｍのとき、波長変換素子２７の入射面１０６から約７ｍｍの位置で、ＳＨＧの強度は１．５Ｗを越える。ＳＨＧ波長５３２ｎｍのときのＰ（劣化）の値は、約１．５Ｗである。したがって、波長変換素子２７の温度制御としては、素子長の出射部近傍の出射面から３ｍｍまでの範囲において、直近に温度制御を行うペルチェ素子１１１を設置し、温度制御することで、波長変換素子２７の変換効率を大幅に増大できる。
【０１１３】
上記の構成を有する波長変換素子２７をペルチェ素子１１０、１１１で温度制御して緑色光の出力特性を測定した結果を図２３に示す。図２３に示すように、ＳＨＧ出力が１．５Ｗ以下の時の変換効率は、３％／Ｗであり、ＳＨＧ出力が１．５Ｗ以上になっても、二乗特性の劣化、出力の不安定化及び変換効率の低下は発生せず、安定な出力で高品質のビームプロファイルを得ることができた。
【０１１４】
なお、本例では、伝搬方向に発生した温度分布を回避するために温度上昇が顕著に現れる出射面１０７近傍にペルチェ素子１１１を１つ配置して温度制御をおこなったが、ペルチェ素子はＳＨＧパワーが劣化する出射面１０７近傍に２個以上配置するようにしてもよい。図２４に示すように、熱発生が集中する波長変換素子２７の出射面１０７近傍に、光の伝搬方向の温度分布に合わせて素子温度が一定になるように、複数個のペルチェ素子２１１、２１２を配置する。ペルチェ素子の配置方法は、温度分布が抑制されるのであれば、これらの配置方法に限らない。
【０１１５】
また、出射面１０７近傍をペルチェ素子にて個別に制御する長さは、全長の１／２以下が望ましい。バルク型の波長変換素子の場合、集光点が結晶の中央となり、基本波のビーム径が結晶の両端において最大となるように、基本波の集光特性を設定したときに、変換効率が最大となる。このとき、素子内でのＳＨＧ強度は、素子中央部でのパワーに対して、出射面で約３倍になる。実験の結果、変換効率が劣化するＰ（劣化）に対して、最大出力が３倍以上になると、光吸収による結晶破壊が生じることが分かった。このため、出射面１０７近傍において個別に温度制御する長さを素子長の半分以上にしても、出力光の増大は得られないため、その長さを素子長の半分以下にすることが好ましい。
【０１１６】
本例における温度調整方法は、上記の例に特に限定されず、波長変換素子の出射面付近のＳＨＧ出力及びＳＨＧパワー密度が最も大きくなる箇所の放熱特性を良好にするようにしてもよく、また、波長変換素子の出射面付近のＳＨＧ出力及びＳＨＧパワー密度が最も大きくなる箇所の温度にあわせるようにＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分を加熱して素子温度分布を抑制するようにしてもよい。
【０１１７】
なお、上記の各実施の形態では、波長変換装置の出力は、５３０ｎｍの緑色レーザで説明を行ったが、波長変換装置の出力の波長は、４００〜９００ｎｍの可視光領域を含んだ紫外領域から赤外領域までであればよく、ファイバレーザの波長も８００〜１８００ｎｍの波長であれば、上記の各実施の形態で述べた内容と同様の効果が得られる。また、上記の各実施の形態は、任意に組み合わせることができ、その場合も各構成の効果を得ることができる。
【０１１８】
上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明に係る波長変換装置は、レーザ活性物質を含み、２つのファイバグレーティングが形成されたファイバと、前記ファイバに励起光を入射するレーザ光源とを光学的に接続して構成したレーザ共振器と、前記レーザ共振器から出射されるレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記ファイバグレーティングは、前記レーザ光源側の第1のファイバグレーティングと、前記波長変換素子側の第２のファイバグレーティングとを含み、前記第２のファイバグレーティングの温度は、前記波長変換素子から出力される高調波の出力に応じて調整される。
【０１１９】
上記の波長変換装置では、波長変換素子側の第２のファイバグレーティングの温度が波長変換素子から出力される高調波の出力に応じて調整されているので、従来よりも第２のファイバグレーティングの温度を大きく上昇させて基本波の波長を大きくシフトさせることができる。この結果、基本波の波長を波長変換素子で変換可能な波長から離れないようにシフトさせることができるので、波長変換素子からＷ級の高出力な波長変換光を安定して得ることができる。
【０１２０】
前記ファイバは、希土類元素を設定した濃度にドーピングして前記基本波又は前記励起光の出力の一部を吸収することが好ましい。
【０１２１】
この場合、希土類元素を設定した濃度にドーピングすることにより、ファイバは、内部を伝播する基本波もしくは励起光の出力の一部を吸収する。この吸収した光は、熱に変わり、基本波の波長を選択するファイバグレーティングを加熱する。ファイバグレーティングは加熱されて温度が上昇し、熱膨張によりグレーティングの間隔が大きくなる。このことにより、基本波の波長は、大きく長波長側にシフトする。
【０１２２】
ところで、波長変換素子からＷ級の高出力のレーザ光を得る場合に、基本波の出力が１０Ｗ程度になるので、波長変換素子の内部温度が上昇し、変換可能な波長が大きく長波長側にシフトする。一般的に、ファイバを伝播する基本波の出力が数Ｗから１０Ｗ程度まで増加しても、基本波の波長は、少ししか長波長側にシフトしない。しかし、希土類元素を設定した濃度にドーピングすることにより、内部を伝播する基本波又は励起光の出力の一部を吸収する構成にした上記ファイバでは、基本波の波長は、大きく長波長側にシフトする。その結果、波長変換素子に入射する基本波の波長と波長変換素子で変換可能な波長とが離れないように追随して長波長側にシフトさせることができる。したがって、上記の波長変換装置では、波長変換された出力光がＷ級の高出力まで安定して得られる。
【０１２３】
上記のように、ファイバへの希土類元素のドーピングによりレーザの基本波又は励起光の出力の一部を吸収し、吸収により生じた熱で加熱してファイバグレーティングの温度を上昇させる構成としている。このことにより、従来よりもファイバグレーティングの温度を大きく上昇させてグレーティングの間隔をより大きくする。そうすることで基本波の波長を大きくシフトさせて波長変換素子で変換可能な波長と離れないようにシフトさせて、安定したＷ級の高出力が得られる波長変換装置を実現する。すなわち、従来困難であったＷ級の可視光高出力光源を実現し、小型で生産性の高い光源を大型ディスプレイや高輝度ディスプレイに適用できるという効果を奏するものである。
【０１２４】
前記希土類元素は、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ及びＥｕから選択された少なくとも１種であることが好ましく、前記希土類元素は、１０００〜３０００ｐｐｍの濃度でドープされていることが好ましい。
【０１２５】
この場合、選択された希土類元素を、設定した濃度でドーピングすることにより、さらにファイバグレーティングを効果的に加熱することができる。
【０１２６】
前記希土類元素は、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｙ及びＬａから選択された少なくとも１種であることが好ましく、前記希土類元素は、２００００〜３００００ｐｐｍの濃度でドープされていることが好ましい。
【０１２７】
この場合も、選択された希土類元素を、設定した濃度でドーピングすることにより、さらにファイバグレーティングを効果的に加熱することができる。
【０１２８】
前記希土類元素は、前記ファイバのクラッド部分にドープされていることが好ましい。
【０１２９】
この場合、ファイバのクラッド部分に希土類元素をドーピングすることにより、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１３０】
前記希土類元素は、前記ファイバのコア部分にドープされていることが好ましい。
【０１３１】
この場合、ファイバのコア部分に希土類元素をドーピングすることにより、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１３２】
前記ファイバは、前記第1のファイバグレーティングが形成された第１のファイバと、前記第２のファイバグレーティングが形成された第２のファイバとを光学的に接続して構成されていることが好ましい。
【０１３３】
この場合、基本波を選択する第２のファイバグレーティングが形成されたファイバを第２のファイバとして第１のファイバとは別に作製することができるので、第２のファイバは、ファイバグレーティング近傍に希土類元素を設定した濃度にドーピングして、基本波又は励起光の出力の一部をさらに効率よく吸収する構成で作製できる。また、第１のファイバは、レーザ活性物質を含み、励起光を基本波にさらに効率よく変換できる構成とすることもできる。
【０１３４】
前記ファイバは、前記第1のファイバグレーティングが形成された第１のファイバと、第２のファイバと、前記第２のファイバグレーティングが形成された第３のファイバとからなり、前記第２のファイバの両端に前記第１のファイバと前記第３のファイバとが光学的に接続されていることが好ましい。
【０１３５】
この場合、基本波を選択する第２のファイバグレーティングが形成されたファイバを第３のファイバとして第１のファイバとは別に作製することができるので、第３のファイバは、ファイバグレーティング近傍に希土類元素を設定した濃度にドーピングして、基本波又は励起光の出力の一部をさらに効率よく吸収する構成で作製できる。また、第１のファイバは、レーザ活性物質を含み、励起光を基本波にさらに効率よく変換できる構成とすることもできる。加えて、第２のファイバは基本波又は励起光の出力の一部をできるだけ吸収しないようにして、第２のファイバ中での基本波又は励起光のロスをさらに低減することもできる。
【０１３６】
前記ファイバは、ダブルクラッド構造からなっていることが好ましい。
【０１３７】
この場合、ダブルクラッド構造の少なくとも一方のクラッド部分で基本波や励起光の一部を吸収して、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１３８】
前記ダブルクラッド構造の少なくとも一方のクラッド部分には、前記希土類元素がドープされていることが好ましい。
【０１３９】
この場合、ダブルクラッド構造の少なくとも一方のクラッド部分に希土類元素がドープされることによって基本波や励起光の一部を吸収して、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１４０】
前記基本波又は前記励起光の出力の一部を吸収して、前記ファイバグレーティングを加熱する加熱部をさらに備えることが好ましい。
【０１４１】
この場合、基本波又は励起光の出力の一部を吸収する加熱部により、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１４２】
前記加熱部は、前記第２のファイバグレーティングが形成されている領域に設けられた再被覆層であることが好ましい。
【０１４３】
この場合、グレーティングで反射された基本波の出力の一部や励起光の一部が再被覆層で吸収されて熱に変わるので、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１４４】
前記再被覆層の材料は、難燃材料であることが好ましい。
【０１４５】
この場合、ファイバは、さらに高い安全性を確保できる。
【０１４６】
前記再被覆層の材料の屈折率は、１．３７〜１．４３であることが好ましい。
【０１４７】
この場合、基本波又は励起光の一部が最適な量だけ再被覆層で吸収されるので、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１４８】
前記加熱部は、前記波長変換素子の温度を制御する温度制御部材と、前記第２のファイバグレーティング及び前記波長変換素子を保持するための保持台とを含み、前記温度制御部材から発生される熱が前記保持台を介して前記第２のファイバグレーティングに伝導されることにより、前記第２のファイバグレーティングが加熱されることが好ましい。
【０１４９】
この場合、波長変換素子の温度制御により発生した熱が保持台を介してファイバグレーティングに伝導されるので、ファイバグレーティングをさらに効果的に加熱することができる。
【０１５０】
前記加熱部は、前記基本波又は前記励起光の漏れ光を吸収して発熱するとともに、前記ファイバより熱膨張係数の大きな材料からなり、前記第２のファイバグレーティングを保持するための保持部材を含み、前記保持部材は、自身の発熱による熱膨張により前記第２のファイバグレーティングに引っ張り応力を加えることが好ましい。
【０１５１】
この場合、保持部材が加熱されて膨張することによりファイバグレーティングが引っ張られてグレーティング間隔が機械的に拡げられるので、基本波の波長をさらに長波長側にシフトすることができる。この結果、基本波が高出力の場合でも、基本波の波長と波長変換素子で変換可能な波長とが略同じようにシフトし、波長変換後のレーザ出力をさらに効果的にＷ級の高出力まで制御することができる。
【０１５２】
上記波長変換装置は、前記基本波の出力の一部を検出する検出手段と、前記検出手段による検出値に基づいて前記波長変換素子から出射される高調波の出力を制御する制御手段とをさらに備えることが好ましい。
【０１５３】
この場合、波長変換素子の入力である基本波の出力と、波長変換素子の出力である波長変換後の高調波の出力との定量的関係を予め把握して参照できるようにすることで、波長変換後のレーザ出力をさらに効果的にＷ級の高出力まで制御することができる。
【０１５４】
前記制御手段は、テーブル形式で予め記憶されているデータに基づき前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことが好ましい。
【０１５５】
この場合、温度制御に必要なデータを予め試験等により取得してテーブル形式で記憶し、温度制御を行うときに随時利用することができるので、波長変換後のレーザ出力をさらに精度よくＷ級の高出力まで制御することができる。
【０１５６】
前記制御手段は、前記基本波の出力に対する前記波長変換素子の位相整合波長変化量を基に前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことが好ましい。
【０１５７】
この場合、基本波の出力に対する波長変換素子の位相整合波長変化量を、テーブル形式のデータとして予め記憶して温度制御を行うときに随時利用することができるので、波長変換後のレーザ出力をさらに精度よくＷ級の高出力まで制御することができる。
【０１５８】
前記制御手段は、前記基本波の出力に対する前記ファイバグレーティングの反射波長変化量を基に前記ファイバグレーティング及び前記波長変換素子の少なくとも一方の温度制御を行うことが好ましい。
【０１５９】
この場合、基本波の出力に対するファイバグレーティングの反射波長変化量すなわち波長変換素子に入射する基本波の波長の変化量を、テーブル形式のデータとして予め記憶して温度制御を行うときに随時利用することができるので、波長変換後のレーザ出力をさらに精度よくＷ級の高出力まで制御することができる。
【０１６０】
前記検出手段は、前記ファイバから前記基本波の分岐光を受光する受光素子を含むことが好ましい。
【０１６１】
この場合、基本波の出力を定量的に精度よく把握することができるので、波長変換後のレーザ出力をさらに精度よくＷ級の高出力まで制御することができる。
【０１６２】
前記検出手段は、前記ファイバグレーティングから前記基本波の漏れ光を受光することが好ましい。
【０１６３】
この場合、基本波の出力を定量的に精度よく把握することができるので、波長変換後のレーザ出力をさらに精度よくＷ級の高出力まで制御することができるとともに、基本波の漏れ光を受光しているので、基本波の不要なロスを抑制することができる。
【０１６４】
上記波長変換装置は、前記高調波の出力の一部を検出する検出手段と、前記検出手段による高調波の出力の検出値に基づいて前記第２のファイバグレーティングの温度を制御する制御手段とをさらに備えることが好ましい。
【０１６５】
この場合、高調波の出力値に応じてファイバグレーティングを加熱することができるので、位相整合波長の温度上昇によるシフト量と基本波の波長のシフト量とを一致させることができ、波長変換後のレーザ出力をさらに精度よくＷ級の高出力まで制御することができる。
【０１６６】
前記高調波の波長は、５１０〜５５０ｎｍであり、前記高調波の出力は、１Ｗ以上であることが好ましい。
【０１６７】
この場合、紫外光誘起緑色光吸収により波長変換光の出力が低下する場合でも、波長変換後の緑色光の出力を、紫外光誘起緑色光吸収による出力低下がない場合のＷ級の高出力まで増加させることができる。
【０１６８】
前記高調波の波長は、４４０〜４９０ｎｍであり、前記高調波の出力は、０．１Ｗ以上であることが好ましい。
【０１６９】
この場合、紫外光誘起緑色光吸収により波長変換光の出力が低下する場合でも、波長変換後の青色光の出力を、紫外光誘起緑色光吸収による出力低下がない場合の高出力まで増加させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本発明によれば、波長変換素子からＷ級の高出力な波長変換光を安定して得られるので、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等の高出力可視光光源となる波長変換装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】本発明の第１の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。
【図４】図３に示すファイバのファイバグレーティングの近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図である。
【図５】基本波の出力に対する通常のファイバグレーティングでの温度上昇量と第３の実施の形態におけるファイバグレーティングでの温度上昇量との測定結果を示す図である。
【図６】第３の実施の形態における基本波の出力に対するファイバグレーティングでの反射波長変化量と波長変換素子での位相整合波長変化量との測定結果を示す図である。
【図７】ダブルクラッド構造のファイバにおけるファイバグレーティングの近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態による波長変換装置に用いられるファイバのファイバグレーティングの近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態による波長変換装置に用いられる他のファイバのファイバグレーティングの近傍を光軸に沿って断面して拡大した概略構造断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。
【図１１】図１０に示す波長変換装置のファイバグレーティング及び波長変換素子の近傍を拡大した概略図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態による波長変換装置のファイバグレーティングと波長変換素子とを結合する光学系の構成を主に示す概略図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の第７の実施の形態に用いられるファイバに形成されたファイバグレーティングの領域の近傍について詳細な構成を示す図である。
【図１５】基本波の出力に対する波長変換素子の位相整合波長変化量及び温度上昇幅との測定結果を示す図である。
【図１６】本発明の第９の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。
【図１７】本発明の第１０の実施の形態による波長変換装置の構成を示す概略図である。
【図１８】波長変換素子の温度が低下した場合の位相整合波長の変化を表す模式図である。
【図１９】波長変換素子の温度が上昇した場合の位相整合波長の変化を表す模式図である。
【図２０】図１７に示す判定回路によるファイバグレーティングの温度制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図２１】複数のペルチェ素子により波長変換素子の温度制御を行う場合の構成図である。
【図２２】波長変換素子の入射面からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。
【図２３】波長変換素子を複数のペルチェ素子で温度制御した場合の緑色光の出力特性を測定した結果を図である。
【図２４】ＳＨＧパワーが劣化する出射面近傍に２個のペルチェ素子を配置した場合の構成図である。
【図２５】従来の波長変換装置の概略構成図である。
【図２６】Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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