(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を出射する励起光源と、
共振器を有する固体レーザと、
前記共振器内に配置される波長変換素子とを含み、
前記固体レーザは、少なくとも２種類のレーザ媒質である第１レーザ媒質と第２レーザ媒質とを含み、前記第１レーザ媒質は第１発振波長の固体レーザ光を発振すると共に、前記第２レーザ媒質は第２発振波長の固体レーザ光を発振し、
前記少なくとも２種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、
前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、前記第２レーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる前記部位に入射することによって、前記共振器内で前記第１発振波長及び前記第２発振波長の前記固体レーザ光が発振するように構成され、
前記共振器内の前記波長変換素子は、前記第１発振波長及び前記第２発振波長の前記固体レーザ光を、当該第１発振波長及び当該第２発振波長の第２高調波及び和周波に変換し、当該第２高調波及び当該和周波を同時に発生させ、
前記固体レーザは、前記第１レーザ媒質からなる２つの部位の間に前記第２レーザ媒質からなる前記部位が配置された構成であり、
前記第１レーザ媒質からなる前記２つの部位のうち、前記励起光源から出射された前記励起光が後に入射される部位の活性イオン濃度が、前記励起光が先に入射される部位の活性イオン濃度よりも高いことを特徴とする波長変換レーザ。
【請求項２】
前記第１レーザ媒質がＮｄ：ＹＶＯ４であると共に、前記第２レーザ媒質がＮｄ：ＧｄＶＯ４であり、
前記第１レーザ媒質と前記第２レーザ媒質とが接合されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
【請求項３】
前記励起光源から最も遠くに配された前記第１レーザ媒質又は前記第２レーザ媒質からなる前記部位の前記波長変換素子側の端面に前記励起光の反射コートが形成されており、
前記固体レーザの前記共振器内に、前記波長変換素子で発生した波長変換光をレーザ媒質に入射させることなく反射する界面をさらに含み、
前記波長変換素子は、前記固体レーザの前記共振器の光軸に対して傾斜した分極反転周期構造を有し、前記波長変換光を２つのビームとして分離出力することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
【請求項４】
前記固体レーザは、前記第１レーザ媒質からなる前記部位と前記第２レーザ媒質からなる前記部位との光学軸方向を異なる方向に配置した構成であり、
前記第１発振波長及び前記第２発振波長の前記固体レーザ光が同一方向の直線偏光として前記共振器内で発振することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
【請求項５】
前記第１レーザ媒質及び前記第２レーザ媒質は、正方晶のレーザ結晶であり、
前記第１レーザ媒質及び前記第２レーザ媒質のｃ軸を、前記共振器の光軸に対して垂直方向及び平行方向の２種類の方向に異ならせて配置することにより、当該第１レーザ媒質及び当該第２レーザ媒質の発振波長を異ならせると共に、
前記波長変換素子を前記固体レーザの前記共振器の光軸に対してブリュースター角となるように配置することにより、前記第１発振波長及び前記第２発振波長の前記固体レーザ光を前記同一方向の前記直線偏光として前記共振器内で発振させることを特徴とする請求項４に記載の波長変換レーザ。
【請求項６】
前記固体レーザは、第３発振波長の固体レーザ光を発振する第３レーザ媒質をさらに含む少なくとも３種類のレーザ媒質を含み、
前記少なくとも３種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、
前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる前記部位に入射した後、少なくとも前記第２レーザ媒質からなる前記部位及び前記第３レーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる前記部位に入射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
【請求項７】
前記固体レーザは、それぞれ発振波長が異なる第１〜第ｎ発振波長（ｎは２以上の整数）の固体レーザ光を発振する第１〜第ｎレーザ媒質を含むｎ種類のレーザ媒質を含み、
前記ｎ種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、
前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる前記部位に入射した後、前記第１レーザ媒質以外のレーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる前記部位に入射することによって、前記共振器内で前記第１〜第ｎ発振波長の前記固体レーザ光が発振するように構成され、
前記共振器内の前記波長変換素子は、前記第１〜第ｎ発振波長の前記固体レーザ光を、当該第１〜第ｎ発振波長の第２高調波及び和周波に変換し、当該第２高調波及び当該和周波を同時に発生させることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
【請求項８】
前記励起光源から出射された前記励起光が最初に入射する部位における前記第１レーザ媒質の前記励起光の吸収率のピークは、１０％以上且つ７５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ。
【請求項９】
励起光を出射する励起光源と、
共振器を有する固体レーザと、
前記共振器内に配置される波長変換素子と、を備え、
前記固体レーザは、少なくとも２種類のレーザ媒質である第１レーザ媒質と第２レーザ媒質とを含み、
前記第１レーザ媒質は、第１発振波長の固体レーザ光を発振し、
前記第２レーザ媒質は、第２発振波長の固体レーザ光を発振し、
前記少なくとも２種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、
前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、前記第２レーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる前記部位に入射することによって、前記共振器内で前記第１発振波長及び前記第２発振波長の前記固体レーザ光が発振するように構成され、
前記共振器内の前記波長変換素子は、前記第１発振波長及び前記第２発振波長の前記固体レーザ光を、当該第１発振波長及び当該第２発振波長の第２高調波及び和周波に変換し、当該第２高調波及び当該和周波を同時に発生させ、
前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる前記部位と前記第２レーザ媒質からなる前記部位とを交互に２回以上入射するように構成されていることを特徴とする波長変換レーザ。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の波長変換レーザと、
前記波長変換レーザから出力される波長変換光の変調を行う素子とを含むことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
赤色の波長を発振する赤色レーザ光源と、
緑色の波長を発振する緑色レーザ光源と、
青色の波長を発振する青色レーザ光源と、を備え、
前記緑色レーザ光源は、前記波長変換レーザを含み、
前記赤色レーザ光源、前記緑色レーザ光源及び前記青色レーザ光源は、色毎にレーザ光を順次出射し、
前記波長変換レーザは、前記励起光の出射と停止とを繰り返す前記励起光源の間欠動作により、前記励起光のスペクトル幅を拡げ、前記波長変換光の温度変化によるスペクトル変化を低減することを特徴とする請求項１０に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記波長変換レーザは、前記励起光源の動作中に当該励起光源へ注入される注入電流の前半部の平均注入電流である前期注入電流を、当該注入電流の後半部の平均注入電流である後期注入電流よりも小さくすることを特徴とする請求項１１に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザの共振器内に波長変換素子を挿入した内部共振器型の波長変換レーザ及びそれを用いた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基本波レーザの波長を波長変換素子の非線形光学現象を用いて、第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ：  ＳＨＧ）、和周波（Ｓｕｍ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ：  ＳＦＧ）、差周波（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ：  ＤＦＧ）等の変換波に波長変換を行う波長変換レーザが開発されている。中でも、固体レーザの共振器内に波長変換素子を挿入する内部共振器型波長変換レーザは、共振器構造を利用するため、高効率の波長変換が可能であるという特徴をもつ。
【０００３】
さらに、固体レーザの中でも特に、サブｍｍ〜数ｍｍのレーザ媒質を用いたマイクロチップ固体レーザは、小型でＷクラスの出力が得られることから、様々な応用が期待されている。マイクロチップ固体レーザと内部共振器型波長変換レーザとの組み合わせは、半導体レーザで直接発振ができない波長領域や、ジャイアントパルスや高周波数が求められる領域での応用が試みられている。
【０００４】
これまで、固体レーザや波長変換の特性を改善するために、固体レーザ媒質に複数の結晶を用いるものが提案されている。特許文献１では、レーザ媒質に希土類イオン濃度が異なるだけで同じ組成式をした複数の結晶を濃度の低い順に並べて配置し、レーザの高出力化が試みられている。また、特許文献２では、共振器内に互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数のレーザ媒質を備え、蛍光スペクトル幅を大きくし、広い波長域をカバーするレーザを提案している。また、特許文献３では、２種の固体レーザ媒質と３枚の反射鏡を用いて、１枚の反射鏡を共有する２つの波長の共振器を構成し、非線形光学結晶により和周波混合を行う構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９３６２４号公報
【特許文献２】特開２００８−４８８２号公報
【特許文献３】特開２００６−６６４３６号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの従来提案されている構成は、各特性は改善されるが、レーザが温度変化した場合に出力や特性に大きな変動が生じる点について考慮されていない。
【０００７】
また、映像分野や照明分野などへの応用に対し、内部共振器型波長変換レーザは、スペクトル幅が狭く、スペックルノイズと呼ばれる斑点模様の干渉ノイズが発生するという課題がある。すなわち、内部共振器型波長変換レーザでは、高効率の波長変換を可能とするため、固体レーザのシングルモード化及び狭帯域化が必要とされていた。ところが、スペックルノイズを低減するには、波長変換レーザ光のスペクトル幅を拡げる必要がある。また、温度変化などが生じた場合でも、安定して波長変換レーザ光のスペクトル幅が広いことが求められている。
【０００８】
本発明は、温度変化などが生じた場合でも安定してスペクトル幅の広い低コヒーレントな波長変換レーザ光を出力する波長変換レーザ及びそれを用いた画像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一局面に係る波長変換レーザ装置は、励起光を出射する励起光源と、共振器を有する固体レーザと、前記共振器内に配置される波長変換素子とを含み、前記固体レーザは、少なくとも２種類のレーザ媒質である第１レーザ媒質と第２レーザ媒質とを含み、前記第１レーザ媒質は第１発振波長の固体レーザ光を発振すると共に、前記第２レーザ媒質は第２発振波長の固体レーザ光を発振し、前記少なくとも２種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、前記第２レーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる部位に入射することによって、前記共振器内で前記第１発振波長及び前記第２発振波長の固体レーザ光が発振するように構成され、前記共振器内の前記波長変換素子は、前記第１発振波長及び前記第２発振波長の固体レーザ光を、当該第１発振波長及び当該第２発振波長の第２高調波及び和周波に変換し、当該第２高調波及び当該和周波を同時に発生させる。
【００１０】
この波長変換レーザにおいては、励起光の波長が変化しても、第１発振波長及び第２発振波長の固体レーザ光の強度比を、一定に保つことができる。このため、当該第１発振波長及び当該第２発振波長の第２高調波及び和周波を同時に発生する波長変換素子を用いても、波長変換光のスペクトル分布においてこれらの３つの波長に大きな偏りが生じることなく、広いスペクトル幅を保持することができる。よって、温度変化などが生じて励起光の波長が変化した場合でも、安定してスペクトル幅の広い低コヒーレントな波長変換レーザ光を出力する波長変換レーザを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における波長変換レーザの概略構成を示す説明図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１における波長変換光のスペクトル分布を示すグラフである。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１における波長変換光のスペクトル分布の比較例を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態１におけるレーザ媒質の励起光吸収量算出を示す説明図
である。
【図４】本発明の実施の形態２における波長変換レーザの概略構成を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態３における波長変換レーザの概略構成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態４における波長変換レーザの概略構成を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態５における波長変換レーザの概略構成を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態６における波長変換レーザの概略構成を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態７における波長変換レーザの概略構成を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態８における画像表示装置の概略構成を示す説明図である。
【図１１Ａ】本発明の実施の形態８における励起光波長分布を示すグラフである。
【図１１Ｂ】本発明の実施の形態８における吸収係数の励起光波長依存性を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態８における励起ＬＤへの注入電流の波形の一例と、励起光の波長分布とを示す説明図である。
【図１３】本発明の実施の形態８における励起ＬＤへの注入電流の波形のその他の例と、励起光の波長分布とを示す説明図である。
【図１４】本発明の実施の形態８における励起ＬＤへの注入電流の波形のさらに他の例と、励起光の波長分布とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザ１００の概略構成図である。
【００１４】
図１に示すように、波長変換レーザ１００は、励起Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ（ＬＤ）１（励起光源）と、集光光学系２と、レーザ媒質３（第１レーザ媒質）と、レーザ媒質４（第２レーザ媒質）と、レーザ媒質５（第１レーザ媒質）と、波長変換素子７とを含む。
【００１５】
半導体レーザである励起ＬＤ１は、レーザ媒質３、４、及び５を励起する励起光を出射する。励起ＬＤ１を出射した励起光は、集光光学系２により、レーザ媒質３、４、及び５で共振する固体レーザ光と重なるように集光される。励起光は、レーザ媒質３、レーザ媒質４、レーザ媒質５の順に入射し、それぞれのレーザ媒質で吸収される。レーザ媒質３とレーザ媒質５は、Ｎｄ濃度は異なるが同じＮｄ：ＹＶＯ４であり、同じ発振波長ＩＲ１（第１発振波長）の固体レーザ光を発振する。一方、レーザ媒質４は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４からなり、ＩＲ１とは異なる発振波長ＩＲ２（第２発振波長）の固体レーザ光を発振する。
【００１６】
本実施の形態の固体レーザは、第１レーザ媒質からなる２つの部位（レーザ媒質３及び５）の間に第２レーザ媒質からなる部位（レーザ媒質４）が配置された構成である。レーザ媒質３、４及び５は、この順に直接接合している。また、レーザ媒質５と波長変換素子７とが直接接合している。固体レーザの共振器は、レーザ媒質３における励起光入射側の面３ａと波長変換素子７における波長変換光出射側の面７ｂとで構成される。よって、固体レーザの共振器内に波長変換素子７が配置された構成となっている。上記固体レーザの共振器の励起光入射側の面３ａには、励起光のＡＲコート（反射防止コート）と、固体レーザ光と波長変換光のＨＲコート（反射コート）とが施されており、励起光を透過させる一方、固体レーザ光と波長変換光とを反射する。また、上記固体レーザの共振器の波長変換光出射側の面７ｂには、固体レーザ光のＨＲコートと波長変換光のＡＲコートとが施されており、固体レーザ光を反射する一方、波長変換光を透過させる。
【００１７】
実施の形態１では、レーザ媒質３は、Ｎｄ濃度１％、厚み０．２ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４からなる。また、レーザ媒質４は、Ｎｄ濃度１％、厚み０．７ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４からなる。また、レーザ媒質５はＮｄ濃度３％、厚み０．４ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４からなる。レーザ媒質３及び５は、中心波長１０６４．１ｎｍの固体レーザ光ＩＲ１（発振波長ＩＲ１）を発振する。レーザ媒質４は、中心波長１０６２．８ｎｍの固体レーザ光ＩＲ２（発振波長ＩＲ２）を発振する。
【００１８】
波長変換素子７には、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）を用い、０．５ｍｍと非常に薄い波長変換素子となっている。また、その分極反転周期は、７μｍで形成されている。本実施の形態の波長変換素子７は、非常に広い位相整合許容幅を有することを特徴としている。このため、一つの波長変換素子で、固体レーザ光ＩＲ１の第２高調波ＳＨＧ１と、固体レーザ光ＩＲ２の第２高調波ＳＨＧ２と、固体レーザ光ＩＲ１とＩＲ２の和周波ＳＦＧ１とを発生させることができる。ところで、複数の波長変換素子を共振器内に導入する場合、共振器内の損失が増え、効率が劣化することとなるとともに、大型化することが問題となる。これに対して本実施の形態では、一つの波長変換素子で複数の波長に対する波長変換を同時に行うことで、高効率で、小型の波長変換レーザを得ることができる。
【００１９】
図２Ａは、波長変換レーザ１００が出力する波長変換光のスペクトル分布を示す。図２Ａ中、波長変換光ＳＨＧ１は、固体レーザ光ＩＲ１からの第２高調波（中心波長５３２．１ｎｍ）である。また、波長変換光ＳＨＧ２は、固体レーザ光ＩＲ２からの第２高調波（中心波長５３１．４ｎｍ）である。また、波長変換光ＳＦＧ１は、固体レーザ光ＩＲ１とＩＲ２の和周波（中心波長５３１．８ｎｍ）である。
【００２０】
図２Ｂは、仮に、レーザ媒質４の励起光吸収が、レーザ媒質３とレーザ媒質５の励起光吸収に対して非常に大きくなった場合に出力される波長変換光のスペクトル分布である（これは、本実施の形態の波長変換レーザ１００の比較例である）。このとき、共振器内で発振する固体レーザ光ＩＲ２が、固体レーザ光ＩＲ１に対して非常に大きくなることで、出力される波長変換光のスペクトル分布に偏りが生じる。図２Ｂに示すような偏ったスペクトル分布となった場合、ＳＨＧ２が優先的に出力される。このため、図２Ａのときに比べ、波長変換光のスペクトル幅は狭くなり、コヒーレンシーが高まり、干渉ノイズ（スペックルノイズ）が出現することとなる。
【００２１】
本実施の形態は、図２Ｂのように、波長変換光のスペクトル分布に大きな偏りが生じて干渉ノイズが大きくなることを避けることができる特徴的構成を備えている。
【００２２】
すなわち、本波長変換レーザ１００は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３、レーザ媒質５、及び発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４を有している。これらのレーザ媒質３、４及び５は、同じ半導体レーザから出射する励起光で励起される。そして、本実施の形態では、集光光学系２で集光された励起光は、レーザ媒質３に入射した後、レーザ媒質４に入射し、その後にレーザ媒質５に入射する構成となっている。
【００２３】
本実施の形態では、上述の通り、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３及び５と、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４とを用いている。このため、励起光波長が変化した場合でも、発振波長が異なるこれらの２種類のレーザ媒質の間で、励起光吸収量の比を一定に保つことができる。本波長変換レーザ１００の上記の構成によれば、発振波長ＩＲ１の固体レーザ光の強度と、固体レーザ光ＩＲ２の固体レーザ光の強度とを一定に保つことができる。このため、ＳＨＧ１、ＳＨＧ２及びＳＦＧ１を同時に発生する波長変換素子７を用いても、波長変換光のスペクトル分布においてこれらの３つの波長に大きな偏りが生じることなく、波長変換光を出力することができる。さらに、本実施の形態では、固体レーザの共振器に入射した励起光は、複数のレーザ媒質（レーザ媒質３〜５）によって分散して吸収される。このため、励起光の吸収による発熱点を複数個所に分散させることができる。この結果、レーザ媒質の発熱による波長変換効率の低下を防ぐことができるため、高効率で高出力の波長変換レーザを実現できる。
【００２４】
ここで、励起光波長が変化した場合の吸収率の変化について、詳しく述べる。
【００２５】
図３は、実施の形態１の各レーザ媒質３〜５における励起光の吸収率のシミュレーション結果を示している。励起ＬＤ１は、２５℃の環境下で８０８ｎｍの励起光を出射するが、温度が変わることにより、励起光波長は変わる。図３の横軸は、励起ＬＤ１からの励起光波長が８０８ｎｍから変化した波長シフト量を示している。縦軸は、各レーザ媒質３〜５の吸収率と吸収量との比を示している。Ｎｄを活性イオンとするＮｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４は、８０８ｎｍに吸収ピーク波長を持ち、励起光波長が８０８ｎｍのとき吸収係数はピーク値をとり、８０８ｎｍから波長が変化すると吸収係数が小さくなる。図３のレーザ媒質３の吸収率は、８０８ｎｍから波長が変化することで吸収係数が小さくなり、吸収率が低下している。すなわち、８０８ｎｍから波長が変化すると、レーザ媒質３及びレーザ媒質４での光の吸収係数は小さくなる。このため、レーザ媒質５に入射する励起光量が増え、レーザ媒質５での励起光の吸収率は、増加する。一方、レーザ媒質４では、８０８ｎｍから励起光が波長変化すると、レーザ媒質３を通過する光量の増加とレーザ媒質４の吸収係数の低下が同時に生じる。このため、レーザ媒質４では、励起光の波長が変化しても５０％付近の吸収率を維持する。このとき、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３とレーザ媒質５とをあわせた吸収率と、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４の吸収率との比は、励起光波長が変化しても、０．９〜１．１の範囲となる。このように、本実施の形態の構成によれば、励起光波長が変化した場合であっても、発振波長の異なるレーザ媒質間の吸収量の比を一定に保つことができる。このため、励起光の波長が変化しても出射する波長変換光のスペクトル分布に大きな偏りを生じることなく、広いスペクトル幅を保つことができる。本発明の構成とは異なり、レーザ媒質５がない構成の場合、温度変化により励起光が６ｎｍ変化すると、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３と発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４との吸収率の比は、２よりも大きくなる。このため、図２Ｂに示す比較例のように出射する波長変換光のスペクトル幅に大きな偏りが生じることとなる。
【００２６】
実施の形態１は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３と５（Ｎｄ：ＹＶＯ４）が、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４（Ｎｄ：ＧｄＶＯ４）の前後に配置され、レーザ媒質５のＮｄイオン濃度がレーザ媒質３のＮｄイオン濃度よりも高い好ましい形態である。レーザ媒質の吸収率変化は、励起光の波長変化により吸収係数が小さくなることが主因となる。このとき、レーザ媒質のトータルの吸収率を維持するためには、レーザ媒質の長さを長くするもしくは活性イオン濃度を高くする必要がある。
【００２７】
しかしながら、発熱による問題を回避するため、初めに励起光が入射するレーザ媒質３の長さを長くしたり、活性イオン濃度を高くしたりすることによって、レーザ媒質４への励起光入射量を確保することはできない。
【００２８】
そこで、本実施の形態では、トータルでの吸収率を一定に保つために、レーザ媒質５の活性イオン濃度を、レーザ媒質３よりも高くしている。レーザ媒質の長さを長くすることは、コストの増大及び大型化を招くこととなる。このため、本実施の形態のように、レーザ媒質５の活性イオン濃度を高めることが好ましい。
【００２９】
ここで、レーザ媒質５に入射する励起光は、レーザ媒質５の入射側に設けられたレーザ媒質３とレーザ媒質４とで吸収された残りとなる。このため、レーザ媒質５に入射する励起光のパワーは、レーザ媒質３に入射する励起光パワーよりも小さくなる。このため、レーザ媒質５の活性イオン濃度をレーザ媒質３よりも高めても、励起光の吸収によるレーザ媒質の温度上昇を小さく抑えることができる。
【００３０】
本実施の形態は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３及び５にＮｄ：ＹＶＯ４を、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４にＮｄ：ＧｄＶＯ４を用い、これらのレーザ媒質のうち、隣接するレーザ媒質同士が接合されている好ましい形態である。
【００３１】
Ｎｄを活性イオンとするバナデート系レーザ媒質は、誘導放出断面積が大きく、結晶長が短くても発振が可能である。本実施の形態では複数のレーザ媒質を用いるが、ＹＶＯ４とＧｄＶＯ４とは同じ結晶系であるため、屈折率及び熱膨張係数がほぼ等しい。そこで、これらの結晶系からなるレーザ媒質を接合することで、ひとつの結晶として取り扱うことができる。
【００３２】
特に、２種類の結晶を直接接合することで、結晶間の接合強度もとれ、切断などの加工もできる。本実施の形態では、同じ半導体レーザで複数の種類のレーザ媒質を励起するため、励起光の集光状態を保つのにレーザ媒質長が短いことが求められる。そこで、上記の構成のように、Ｎｄ：ＹＶＯ４とＮｄ：ＧｄＶＯ４とからなるレーザ媒質を接合すれば、結晶間隔がなく、また各結晶長を短くすることができる。なお、本明細書において、「接合」とは、空気層を挟まずに密着している状態をいう。本実施の形態では、励起光が初めに入射するレーザ媒質３に、レーザ媒質４よりも発振波長が長いＮｄ：ＹＶＯ４を用いている。すなわち、本実施の形態は、接合するレーザ媒質の励起光入射側に発振波長が長い方のレーザ媒質を用いる好ましい形態である。
【００３３】
発振波長が長いレーザ媒質に励起光を初めに入射することで、発振波長が長いレーザ媒質の方を温度上昇させる。温度上昇したレーザ媒質は、発振波長が長波長側にシフトするため、発振波長の違いが温度上昇により、より大きくなり、出力される波長変換光のスペクトル幅がより拡がることとなる。
【００３４】
本実施の形態の励起光の波長が変化するときのレーザ媒質３の吸収率のピークは、４５％である。これは、励起光が初めに入射するレーザ媒質の励起光の吸収率のピークが、１０％以上かつ７５％以下となる好ましい形態である。
【００３５】
レーザ媒質３の吸収率のピークが７５％よりも大きい場合、吸収率のピーク付近でレーザ媒質４への入射励起光量を十分に確保されず、レーザ媒質間の吸収量の比（レーザ媒質４／レーザ媒質３＋５）が０．３５以下となり、スペクトル分布の偏りを引き起こすこととなる。また、レーザ媒質３の吸収率のピークが１０％よりも小さい場合、励起光が波長変化したときにレーザ媒質４の吸収率を５０％前後に維持することができず、スペクトル分布に偏りが生じる。励起光が初めに入射するレーザ媒質の励起光の吸収率のピークは、２０％以上かつ６７％以下であることが好ましい。この範囲とすることで、レーザ媒質間の吸収量の比を０．５〜２の範囲に抑えることができ、スペクトル分布に偏りのない低コヒーレントな光を得ることができる。
【００３６】
本実施の形態の励起ＬＤ１では、ワイドストライプＬＤを用いているが、マルチストライプタイプのＬＤや、波長ロック機構を有するＬＤを用いることもできる。また、集光光学系２として、複数のレンズを組み合わせたものを用いてもよい。また、励起ＬＤ１とレーザ媒質３を近接させて、集光光学系を省略してもよい。
【００３７】
実施の形態１の固体レーザ共振器の端面は平面同士の構成となっているが、凹面ミラーを共振器端面に用いることや、共振器内にレンズなどその他の光学部品を挿入する構成としてもよい。
【００３８】
なお、本実施の形態では、温度変化により励起光波長が変化したが、その他にも励起ＬＤのロット間ばらつきなどにより、励起光波長は変化する。しかしながら、本実施の形態の上記の構成によれば、様々な事由により励起光波長が変化しても、安定して広いスペクトル幅の波長変換レーザ光を出力することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、レーザ媒質３及び５としてＮｄ：ＹＶＯ４、レーザ媒質４としてＮｄ：ＧｄＶＯ４を用いているが、これに限定されることはない。すなわち、レーザ媒質３及び５と、レーザ媒質４とが、異なる発振波長のものであればよく、レーザ媒質３及び５としてＮｄ：ＹＶＯ４以外のレーザ媒質を用い、レーザ媒質４としてＮｄ：ＧｄＶＯ４以外のレーザ媒質を用いてもよい。なお、２つのレーザ媒質の発振波長が異なるとは、２つのレーザ媒質が発振する中心波長が互いに異なるということである。用いるレーザ媒質によって、発振波長ＩＲ１と発振波長ＩＲ２との差は異なるが、その差を大きくすれば、得られる波長変換レーザ光のスペクトル幅をより広くすることが可能となり望ましい。例えば、発振波長ＩＲ１と発振波長ＩＲ２との差を１ｎｍ以上にすれば、映像分野や照明分野などへの応用に対し、干渉ノイズ（スペックルノイズ）のより少ない良好な映像表示又は照明が実現できる。
【００４０】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２による波長変換レーザ２００について、図４を参照しながら説明する。図４は、波長変換レーザ２００の概略構成を示している。なお、図４において、前述の実施の形態１と同様の構成については同一の参照符号を用い、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
波長変換レーザ２００は、レーザ媒質３２（第１レーザ媒質）とレーザ媒質４２（第２レーザ媒質）との２つのレーザ媒質を有している。レーザ媒質３２はＮｄ濃度１％、厚み０．３ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４からなり、レーザ媒質４２はＮｄ濃度１％、厚み０．７ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４からなる。レーザ媒質４２の固体レーザ光出射側の端面４２ｂには、固体レーザ光のＡＲコートと励起光のＨＲコートとが施されており、励起光を反射する一方、固体レーザ光を透過させる。励起ＬＤ１を出射した励起光は、発振波長ＩＲ１を発振するレーザ媒質３２に入射した後、発振波長ＩＲ２レーザ媒質４２に入射し、端面４２ｂで反射された後、レーザ媒質３２に再び入射する。
【００４２】
本波長変換レーザ２００の固体レーザの共振器は、レーザ媒質３２の端面３２ａと波長変換素子７２の端面７２ｂとから構成されている。レーザ媒質３２の励起光入射側の端面３２ａには、励起光のＡＲコートと固体レーザ光のＨＲコートとが施されており、励起光を透過させる一方、固体レーザ光を反射する。また、波長変換素子７２の波長変換光出射側の端面７２ｂには、固体レーザ光のＨＲコートと波長変換光のＡＲコートとが施されており、当該端面７２ｂは、固体レーザ光を反射する一方、波長変換光ａと波長変換光ｂとを透過させて出力する。
【００４３】
波長変換素子７２は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）を用い、その厚さは０．７ｍｍと非常に薄い波長変換素子となっている。分極反転周期は、６．８μｍで形成され、分極反転周期構造は固体レーザの共振器の光軸に対して本実施の形態の例では１４度傾いている。波長変換素子７２の励起ＬＤ１側の端面７２ａには、固体レーザ光のＡＲコートと波長変換光のＨＲコートとが施されており、当該端面７２ａは、固体レーザ光を透過させる一方、波長変換光を反射する。波長変換素子７２は、固体レーザ光ＩＲ１の第２高調波ＳＨＧ１と、固体レーザ光ＩＲ２の第２高調波ＳＨＧ２と、固体レーザ光ＩＲ１及びＩＲ２の和周波ＳＦＧ１とを発生させる。
【００４４】
このとき、図４中において右向きに進む固体レーザ光からは波長変換光ａが発生し、左向きに進む固体レーザ光からは波長変換光ｂが発生する。すなわち、波長変換素子７２の分極反転周期構造が固体レーザの共振器の光軸から傾斜することにより、波長変換光ａと波長変換光ｂとは傾いて出射される。本波長変換レーザ２００では、波長変換光ａと波長変換光ｂとはそれぞれ固体レーザの共振器の光軸から＋０．５ｄｅｇ及び−０．５ｄｅｇ傾いて出射される。波長変換光ｂは、端面７２ａで反射された後、端面７２ｂから出射され、レーザ媒質３２及びレーザ媒質４２に入射せずに出力される。波長変換光ａと波長変換光ｂとは、反対方向に傾いて出射される（波長変換光ａは、固体レーザの共振器の光軸に対して＋θ傾いて出射され、波長変換光ｂは、当該光軸に対して−θ傾いて出射される）ため、固体レーザの共振器の光軸から傾いた２つのビームとして出力される。
【００４５】
波長変換レーザ２００は、励起光の反射面４２ｂにより、励起光が発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３２に再び入射する構成としている。すなわち、励起光は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３２に入射した後に発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４２に入射し、その後反射面４２ｂで反射されて発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３２に再入射するのである。これにより、前記実施の形態１の作用効果と同様に、励起光の波長が変化した場合でも、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３２と発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４２の吸収量の比は大きく偏らず、安定して広いスペクトル幅をもつ波長変換光を出力することができる。
【００４６】
レーザ媒質３２とレーザ媒質４２とは、直接接合により一体化されている。また、レーザ媒質４２と波長変換素子７２とは、スペーサで固体レーザの共振器が崩れないように保持されている。なお、レーザ媒質４２と波長変換素子７２とは、その界面に励起光のＨＲコート、固体レーザ光のＡＲコート、及び波長変換光のＨＲコートを施し、一体化させてもよい。
【００４７】
波長変換レーザ２００は、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４２の波長変換素子側端面４２ｂに励起光のＨＲコートを有し、波長変換素子７２は固体レーザ共振器の光軸に対して傾斜した分極反転周期構造を有し、波長変換素子７２で発生した波長変換光を反射する端面７２ａを有し、波長変換光はレーザ媒質３２及び４２に入射することなく、２つのビームとなって出力される好ましい形態である。
【００４８】
すなわち、本波長変換レーザ２００は、励起ＬＤ１から最も遠い位置のレーザ媒質４２の波長変換素子側端面４２ｂに励起光の反射コートを有することで、本発明で必要となる励起光が、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質をまず通過し、次に発振波長ＩＲ２のレーザ媒質を通過してから再び発振波長ＩＲ１のレーザ媒質に入射をすることを、２つのレーザ媒質３２及び４２のみで可能としている。
【００４９】
また、このレーザ媒質４２と波長変換素子７２との間の端面７２ａで、波長変換光ｂを反射することにより、波長変換光ｂがレーザ媒質３２及びレーザ媒質４２を通過するのを防いでいる。波長変換光がレーザ媒質３２及びレーザ媒質４２に入射するとき、波長変換光の一部を吸収し、波長変換光の出力低下と、レーザ媒質の発熱をもたらす。レーザ媒質４２と波長変換素子７２との間の端面７２ａで波長変換光を反射することで、これを防ぎ、出力と効率を上昇させることができる。
【００５０】
なお、上記の説明では、波長変換素子７２で発生した波長変換光を波長変換素子７２のレーザ媒質側の端面７２ａで反射させた例を示したが、これに限定されるものではなく、波長変換光を反射する界面を固体レーザ共振器内に有し、波長変換光をレーザ媒質３２及び４２に入射させない構成にできればよい。例えば、波長変換素子７２で発生した波長変換光をレーザ媒質４２の波長変換素子７２側の端面４２ｂで反射させてもよい。または、上記の端面４２ｂと端面７２ａとの間に、波長変換素子７２で発生した波長変換光を反射させるミラー部材を設けてもよい。
【００５１】
ところで、レーザ媒質４２と波長変換素子７２との間の端面７２ａで反射された波長変換光は、固体レーザ共振器の光軸と一致する場合、波長変換光の位相により出力ゆらぎが生じることがある。すなわち、前記の波長変換光ａと波長変換光ｂとの伝搬方向が重なる場合、両者の間で干渉が発生して出力ゆらぎが生じるのである。この出力ゆらぎを回避するため、波長変換レーザ２００では、分極反転周期構造を固体レーザ共振器の光軸から傾斜させて、発生する波長変換光ａと波長変換光ｂとが固体レーザ共振器の光軸に対して一方は＋θ、他方は−θだけ傾くようにしている。このように、波長変換光を、波長変換光ａと波長変換光ｂとの二つのビームとして分離出力することで、両者間の干渉を回避し、出力ゆらぎをなくしているのである。
【００５２】
上述のように、レーザ媒質４２の波長変換素子側端面４２ｂに励起光の反射コートを形成し、励起光を発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３２に入射させた後に発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４２に入射させ、その後反射面４２ｂで反射して発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３２に再入射させる構成により、安定して広いスペクトル幅をもつ波長変換光を出力することができるので、当該波長変換光は干渉の影響を受け難いものとなっている。さらに、上述のように、波長変換素子７２の分極反転周期構造を固体レーザ共振器の光軸から傾斜させ、波長変換素子７２で発生した波長変換光を反射する界面を固体レーザ共振器内に有し、波長変換光をレーザ媒質３２及び４２に入射させることなく２つのビーム（波長変換光ａ及び波長変換光ｂ）となって出力させる構成としているので、波長変換光は干渉の影響をほとんど受けない。このように、本実施の形態の波長変換レーザ２００は、干渉による出力ゆらぎのない安定した波長変換光を出力できるのである。
【００５３】
以上のように、本実施の形態では、レーザ媒質と波長変換素子との間に形成した励起光と波長変換光の反射コートと、上述の分極反転周期構造の傾斜を用いることで、レーザ媒質数を少なくし、波長変換光の出力と効率の増加を可能とし、且つ、出力ゆらぎのない安定した波長変換光の出力を可能としている。
【００５４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３による波長変換レーザ３００について、図５を参照しながら説明する。図５は、波長変換レーザ３００の概略構成を示している。なお、図５において、前述の実施の形態と同様のものについては、同一の参照符号を用い、その詳細な説明を適宜省略する。
【００５５】
波長変換レーザ３００は、レーザ媒質３３（第１レーザ媒質）、レーザ媒質４３（第２レーザ媒質）、レーザ媒質５３（第１レーザ媒質）、及びレーザ媒質６３（第２レーザ媒質）の４つのレーザ媒質を含む。レーザ媒質３３は、Ｎｄ濃度０．５％、厚み０．４ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶からなり、レーザ媒質４３は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．２５ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４結晶からなる。また、レーザ媒質５３は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．６５ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶からなり、レーザ媒質６３は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．９ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４結晶からなる。レーザ媒質３３とレーザ媒質５３とは、第１発振波長としての発振波長ＩＲ２の固体レーザ光を発振する。一方、レーザ媒質４３とレーザ媒質６３とは、第２発振波長としての発振波長ＩＲ１の固体レーザ光を発振する。励起ＬＤ１を出射した励起光は、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質３３に入射した後、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質４３に入射し、その後、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質５３に入射し、最後に発振波長ＩＲ１のレーザ媒質６３に入射する。
【００５６】
レーザ媒質３３、レーザ媒質４３、レーザ媒質５３及びレーザ媒質６３は、直接接合で接合されている。波長変換素子７３は、分極反転周期構造を有するＬｉＴａＯ３からなり、厚みは１ｍｍである。波長変換素子７３は、発振波長ＩＲ１、ＩＲ２の固体レーザ光それぞれの第２高調波ＳＨＧ１、ＳＨＧ２とこれらの和周波ＳＦＧ１とを同時に発生させることができる。レーザ媒質６３と波長変換素子７３とは直接接合で接合されている。レーザ媒質３３の励起光入射側の端面３３ａには、励起光のＡＲコート、固体レーザ光のＨＲコート、及び波長変換光のＨＲコートが施されている。また、波長変換素子７３の波長変換光出射側の端面７３ｂには、固体レーザ光のＨＲコート及び波長変換光のＡＲコートが施されており、当該端面７３ｂは、波長変換光の出力面となっている。本波長変換レーザ３００の固体レーザの共振器は、レーザ媒質３３の端面３３ａと波長変換素子７３の端面７３ｂとで構成されている。
【００５７】
波長変換レーザ３００は、半導体レーザを出射した励起光が２種類のレーザ媒質に交互に２回以上入射する好ましい形態である。励起光の波長変化により、レーザ媒質の吸収係数が著しく変化した場合でも、２種類のレーザ媒質の励起光の吸収率の比を一定にすることができる。これにより、非常に広い温度範囲で、スペクトル幅が広い波長変換光を出力することができる。
【００５８】
なお、図５の例では、半導体レーザを出射した励起光が２種類のレーザ媒質に交互に２回入射する構成であるが、励起光が２種類のレーザ媒質に交互に３回以上入射する構成としてもよい。
【００５９】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４による波長変換レーザ４００について、図６を参照しながら説明する。図６は、波長変換レーザ４００の概略構成を示している。なお、図６において、前述の実施の形態と同様のものについては、同一の参照符号を用い、その詳細な説明を適宜省略する。
【００６０】
波長変換レーザ４００は、レーザ媒質３４（第１レーザ媒質）、レーザ媒質４４（第２レーザ媒質）、及びレーザ媒質５４（第１レーザ媒質）の３つのレーザ媒質を含む。レーザ媒質５４の波長変換素子側の端面５４ｂには、励起光のＨＲコートと固体レーザ光のＡＲコートが施されており、励起光を反射する一方、固体レーザ光を透過させる。レーザ媒質３４は、Ｎｄ濃度１％、厚み０．２ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４からなり、レーザ媒質４４は、Ｎｄ濃度１％、厚み０．７ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４である。また、レーザ媒質５４は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．２ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４からなる。これらの３つのレーザ媒質３４、４４、及び５４は、直接接合で接合されている。レーザ媒質３４の励起ＬＤ１側端面３４ａには、励起光のＡＲコートと固体レーザ光のＨＲコートとが施されており、励起光を透過させる一方、固体レーザ光を反射する。波長変換素子７２には、実施の形態２と同様に、分極反転周期構造が固体レーザ共振器の光軸に対して傾斜しているＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）を用いている。波長変換素子７２のレーザ媒質５４側の端面７２ａには、波長変換光のＨＲコートと固体レーザ光のＡＲコートとが施されており、波長変換光を反射する一方、固体レーザ光を透過させる。本波長変換レーザ４００の固体レーザの共振器は、レーザ媒質３４の端面３４ａと波長変換素子７２の端面７２ｂとで構成されている。
【００６１】
励起ＬＤ１を出射した励起光は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３４に入射した後、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４４に入射する。次に励起光は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質５４に入射した後、端面５４ｂで反射され、再び発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４４に入射し、最後に発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３４に入射する。
【００６２】
すなわち、本波長変換レーザ４００は、半導体レーザ（励起ＬＤ１）を出射した励起光が２種類のレーザ媒質に交互に２回以上入射する好ましい形態である。本実施の形態の構成によれば、励起光の波長変化により、レーザ媒質の吸収係数が著しく変化した場合でも、２種類のレーザ媒質の励起光の吸収率の比を一定にすることができる。これにより、非常に広い温度範囲で、スペクトル幅が広い波長変換光を出力することができる。
【００６３】
なお、図６の例では、半導体レーザを出射した励起光が２種類のレーザ媒質に交互に２回入射する構成であるが、励起光が２種類のレーザ媒質に交互に３回以上入射する構成としてもよい。
【００６４】
波長変換レーザ４００は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質５４の波長変換素子側端面５４ｂに励起光のＨＲコートを有し、波長変換素子７２は固体レーザ共振器の光軸に対して傾斜した分極反転周期構造を有し、波長変換素子７２で発生した波長変換光を反射する端面７２ａを有し、波長変換光はレーザ媒質３４、４４及び５４に入射することなく、２つのビームとなって出力される好ましい形態である。
【００６５】
すなわち、本波長変換レーザ４００は、励起ＬＤ１から最も遠い位置のレーザ媒質５４が励起光の反射コートを有することで、当該レーザ媒質５４よりも励起ＬＤ１側にあるレーザ媒質４４及び３４への再入射により、複数種類のレーザ媒質３４、４４及び５４に対し交互に励起光が入射する構成となっている。
【００６６】
また、レーザ媒質５４と波長変換素子７２との間の端面７２ａで、波長変換光ｂを反射することにより、波長変換光ｂがレーザ媒質３４、４４及び５４を通過するのを防いでいる。すなわち、波長変換光がレーザ媒質を通過するとき、当該レーザ媒質によって波長変換光の一部が吸収される。このため、波長変換光の出力低下と、レーザ媒質の発熱をもたらす。そこで、本実施の形態では、レーザ媒質５４と波長変換素子７２との間の端面で波長変換光を反射させる構成としている。これにより、波長変換光の一部がレーザ媒質によって吸収させることを防止することができるため、波長変換光の変換効率と出力パワーを向上させることができる。
【００６７】
なお、上記の説明では、波長変換素子７２で発生した波長変換光を波長変換素子７２のレーザ媒質側の端面７２ａで反射させた例を示したが、これに限定されるものではなく、波長変換光を反射する界面を固体レーザ共振器内に有し、波長変換光をレーザ媒質３４、４４及び５４に入射させない構成にできればよい。例えば、波長変換素子７２で発生した波長変換光をレーザ媒質５４の波長変換素子７２側の端面５４ｂで反射させてもよい。または、上記の端面５４ｂと端面７２ａとの間に、波長変換素子７２で発生した波長変換光を反射させるミラー部材を設けてもよい。
【００６８】
ところで、レーザ媒質５４と波長変換素子７２との間の端面７２ａで反射された波長変換光は、固体レーザ共振器の光軸と一致する場合、波長変換光間の位相状態により、出力ゆらぎが生じることがある。すなわち、前記の波長変換光ａと波長変換光ｂとの伝搬方向が重なる場合、両者の間で干渉が発生して出力ゆらぎが生じるのである。この出力ゆらぎを回避するため、波長変換レーザ４００では、分極反転周期構造を固体レーザ共振器の光軸から傾斜させて、発生する波長変換光ａと波長変換光ｂとが固体レーザ共振器の光軸に対して一方は＋θ、他方は−θだけ傾くようにしている。このように、波長変換光ａと波長変換光ｂとの二つのビームとして分離出力することで、両者間の干渉を回避し、出力ゆらぎをなくしているのである。
【００６９】
上述のように、レーザ媒質５４の波長変換素子側端面５４ｂに励起光の反射コートを形成し、励起ＬＤ１を出射した励起光が２種類のレーザ媒質に交互に２回以上入射させる構成により、安定して広いスペクトル幅をもつ波長変換光を発生させることができるので、当該波長変換光は干渉の影響を受け難いものとなっている。さらに、上述のように、波長変換素子７２の分極反転周期構造を固体レーザ共振器の光軸から傾斜させ、波長変換素子７２で発生した波長変換光を反射する界面を固体レーザ共振器内に有し、波長変換光をレーザ媒質３４、４４及び５４に入射させることなく２つのビーム（波長変換光ａ及び波長変換光ｂ）となって出力させる構成としているので、波長変換光は干渉の影響をほとんど受けない。このように、本実施の形態の波長変換レーザ４００は、干渉による出力ゆらぎのない安定した波長変換光を出力できるのである。
【００７０】
以上のように、本実施の形態では、レーザ媒質と波長変換素子との間に形成した励起光と波長変換光の反射コートと、上述の分極反転周期構造の傾斜を用いることで、レーザ媒質数を少なくし、波長変換光の出力と効率の増加を可能とし、且つ、出力ゆらぎのない安定した波長変換光の出力を可能としている。
【００７１】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５による波長変換レーザ５００について、図７を参照しながら説明する。図７は、波長変換レーザ５００の概略構成を示している。なお、図７において、前述の実施の形態と同様のものについては、同一の参照符号を用い、その詳細な説明を適宜省略する。
【００７２】
波長変換レーザ５００は、励起ＬＤ１と、集光光学系２と、集光光学系２側からこの順に配されたレーザ媒質３５、４５及び５５と、レーザ媒質５５から出射された固体レーザ光が入射される位置に配された波長変換素子７５と、波長変換素子７５を通過した固体レーザ光が入射される位置に配された凹面ミラー８とを含む。
【００７３】
波長変換レーザ５００では、紙面の縦軸方向の直線偏光で、励起光、固体レーザ光、波長変換光が発振している。なお、実施の形態１〜４では、レーザ媒質として、ａ−ｃｕｔのＮｄ：ＹＶＯ４及びＮｄ：ＧｄＶＯ４を用い、紙面垂直方向の偏光で発振している。本波長変換レーザ５００は、同じ組成のレーザ媒質材料を光学軸が異なる方向となるように配置している点で前述の実施の形態と異なっている。
【００７４】
レーザ媒質３５（第１レーザ媒質）は、Ｎｄ１％、厚み０．２ｍｍのａ−ｃｕｔのＮｄ：ＹＶＯ４である。レーザ媒質４５（第２レーザ媒質）は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．７ｍｍのｃ−ｃｕｔのＮｄ：ＹＶＯ４である。レーザ媒質５５（第１レーザ媒質）は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．４ｍｍのａ−ｃｕｔのＮｄ：ＹＶＯ４であり、レーザ媒質３５と同じ結晶軸である。正方晶であるバナデート系のレーザ媒質では、結晶の光学軸方向により発振波長が異なる。Ｎｄ：ＹＶＯ４では、ｃ軸方向に中心波長１０６４．１ｎｍの発振を行い、ａ軸方向に中心波長１０６６．５ｎｍの発振を行う。ａ軸ｃｕｔであるレーザ媒質３５とレーザ媒質５５では、ｃ軸方向に優先的な発振を行い、第１発振波長としての波長ＩＲ１（中心波長１０６４．１ｎｍ）の発振を行う。これに対し、ｃ軸ｃｕｔであるレーザ媒質４５は、第２発振波長としてのａ軸方向の波長ＩＲ３（中心波長１０６６．５ｎｍ）の発振を行う。このように、本実施の形態では、共振器の光軸に対し、正方晶であるレーザ媒質３５、４５及び５５ｃの軸を、垂直方向及び平行方向の２種類の方向に配置して発振波長を異ならせた構成としている。
【００７５】
波長変換素子７５は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）を用い、その端面は、固体レーザ共振器の光軸に対し、ブリュースター角をとれるように研磨されている。波長変換素子７５は、固体レーザ共振器の光軸に対し、ブリュースター角となるように配置することで、ｃ軸ｃｕｔであるレーザ媒質４５が発振する固体レーザ光の偏光方向Ｄｐを図７の紙面の縦軸方向に固定している。すなわち、ｃ軸ｃｕｔのレーザ媒質４５が発振する固体レーザ光の偏光方向は一定ではないので、上述のブリュースター角を用いることで、当該偏光方向を固定しているのである。波長変換素子７５は、固体レーザ光が通過する厚みが０．６ｍｍと非常に薄く、非常に広い位相整合許容幅をもつ。発振波長ＩＲ１と発振波長ＩＲ３とは、ブリュースター角を用いることで、同一方向の直線偏光となっている。このため、波長変換素子７５では、固体レーザ光ＩＲ１の第２高調波ＳＨＧ１と、固体レーザ光ＩＲ３の第２高調波ＳＨＧ３と、固体レーザ光ＩＲ１とＩＲ３の和周波ＳＦＧ３を同時に発生させることができる。
【００７６】
レーザ媒質３５の励起ＬＤ１側端面３５ａには、励起光のＡＲコートと固体レーザ光のＨＲコートとが施されており、当該端面３５ａは、励起光を透過させる一方、固体レーザ光を反射する。凹面ミラー８には、固体レーザ光のＨＲコートと波長変換光のＡＲコートとが施されており、当該凹面ミラー８は、固体レーザ光を反射する一方、波長変換光を透過させる。本波長変換レーザ５００の固体レーザの共振器は、上記凹面ミラー８とレーザ媒質３５の端面３５ａとで構成されている。レーザ媒質３５、４５、及び５５の隣接するレーザ媒質間の各端面には、励起光及び固体レーザ光のＡＲコートが施されており、励起光及び固体レーザ光は当該各端面を透過可能となっている。
【００７７】
また、レーザ媒質５５の波長変換素子７５側の端面５５ｂには、固体レーザ光のＡＲコートと波長変換光のＨＲコートとが施されており、当該端面５５ｂは、固体レーザ光を透過させる一方、波長変換光を反射する。波長変換素子７５で発生した波長変換光ｄは、レーザ媒質５５の端面５５ｂで反射するため、レーザ媒質３５、４５、及び５５を通過せずに出力される。また、波長変換素子７５を右側方向に通過する固体レーザ光から発生した波長変換光ｃと、左側方向に通過する固体レーザ光から発生した波長変換光ｄとが、二つのビームとなって出力される。
【００７８】
波長変換レーザ５００は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質と発振波長ＩＲ３のレーザ媒質を含み、これらの２種類のレーザ媒質は同じ半導体レーザから出射する励起光で励起される。励起光は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３５に入射した後、発振波長ＩＲ３のレーザ媒質４５に入射し、その後に発振波長ＩＲ１のレーザ媒質５５に入射する。この構成をとることにより、発振波長ＩＲ１の励起光と発振波長ＩＲ３の励起光との吸収量の比を、励起光の波長変化が生じても一定の割合にすることができる。この結果、出力される波長変換光のスペクトル幅を広い状態で維持することができる。
【００７９】
以上のように、本波長変換レーザ５００では、同じレーザ媒質材料を光学軸が異なる方向となるように配置した好ましい形態である。本実施の形態の構成によれば、同じレーザ媒質材料を用いることができるため、複数の波長の発振を可能としながら、低コスト化ができる。
【００８０】
本実施の形態に係る波長変換レーザは、共振器の光軸に対し、正方晶であるレーザ媒質のｃ軸を垂直方向及び平行方向の２種類の方向に配置して発振波長を異ならせ、ブリュースター角を用いて、同一方向の直線偏光で発振波長は異なる固体レーザ光を共振器内で発振し、共振器内の波長変換素子により、第２高調波及び和周波を同時に発生する好ましい形態である。
【００８１】
このように、結晶の異方性を利用して、異なる波長の発振を行いながら、ブリュースタ角を用いて同一方向の直線偏光を発振させることで、複数の波長の波長変換を同時に行い、広いスペクトル幅を有する波長変換光を得ることができる。このような広いスペクトル幅を有する波長変換光は、干渉ノイズがなく、映像や照明の分野に広く用いることができる。
【００８２】
また、波長変換レーザ５００では、波長変換素子７５をブリュースター角に配置し、出射する波長変換光を固体レーザ共振器の光軸からずらし、レーザ媒質と波長変換素子との間に波長変換光反射面５５ｂを設け、波長変換光がレーザ媒質に入射せずに出力する好ましい形態である。図７の左向きの固体レーザ光から発生する波長変換光ｄは、レーザ媒質に入射すると一部が吸収され減衰するが、本実施の形態の構成ではこれを防ぎ、波長変換光の出力と効率を高めることができる。また、波長変換光ｄは、固体レーザ共振器の光軸と一致するとき出力変動を生じるが、波長変換光を共振器の光軸からずらすことで、出力変動を除去することができる。
【００８３】
上述した本実施の形態では、偏光方向をロックするために、波長変換素子７５をブリュースター角となるように配置している。しかしながら、偏光子など一方の偏光に対し損失を与えるものであれば、上記の構成に限定されるものではない。
【００８４】
なお、本実施の形態では、バナデート系のレーザ媒質を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、正方晶であるレーザ媒質であれば、バナデート系以外のレーザ媒質を用いることもできる。
【００８５】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６による波長変換レーザ６００について、図８を参照しながら説明する。図８は、波長変換レーザ６００の概略構成を示している。なお、図８において、前述の実施の形態と同様のものについては、同一の参照符号を用い、その詳細な説明を適宜省略する。
【００８６】
波長変換レーザ６００は、前述の実施の形態５のレーザ媒質３５、４５及び５５に代えて、レーザ媒質３６、４６、５６及び６６を具備している点で実施の形態５の構成と異なっている。
【００８７】
波長変換レーザ６００では、図８の紙面の縦軸方向の直線偏光で、励起光、固体レーザ光、及び波長変換光を発振している。波長変換レーザ６００は、レーザ媒質３６（第１レーザ媒質）、レーザ媒質４６（第３レーザ媒質）、レーザ媒質５６（第２レーザ媒質）、及びレーザ媒質６６（第１レーザ媒質）の４つのレーザ媒質を有している。レーザ媒質３６は、Ｎｄ濃度１％、厚み０．１ｍｍのａ−ｃｕｔのＮｄ：ＹＶＯ４である。レーザ媒質４６は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．２ｍｍのｃ−ｃｕｔのＮｄ：ＹＶＯ４である。レーザ媒質５６は、Ｎｄ濃度２％、厚み０．２ｍｍのａ−ｃｕｔのＮｄ：ＧｄＶＯ４である。レーザ媒質６６は、Ｎｄ濃度３％、厚み０．２ｍｍのａ−ｃｕｔのＮｄ：ＹＶＯ４である。
【００８８】
レーザ媒質３６とレーザ媒質６６とは、第１発振波長としての波長ＩＲ１（中心波長１０６４．１ｎｍ）の発振を行う。レーザ媒質４６は、第３発振波長としての波長ＩＲ３（中心波長１０６６．５ｎｍ）の発振を行う。レーザ媒質５６は、第２発振波長としての波長ＩＲ２（中心波長１０６２．８ｎｍ）の発振を行う。
【００８９】
励起ＬＤ１を出射した励起光は、レーザ媒質３６、４６、５６、６６の順に入射する。レーザ媒質３６の端面３６ａには、励起光のＡＲコートと固体レーザ光のＨＲコートとが施されており、当該端面３６ａは、励起光を透過させる一方、固体レーザ光を反射する。本波長変換レーザ６００の固体レーザ共振器は、レーザ媒質３６の端面３６ａと凹面ミラー８とで構成される。波長変換素子７５は、固体レーザ共振器の光軸に対し、ブリュースター角となるように配置されており、ｃ−ｃｕｔのレーザ媒質４６で発振される固体レーザ光の偏光方向をロックしている。レーザ媒質６６の波長変換素子７５側端面６６ｂには、固体レーザ光のＡＲコートと波長変換光のＨＲコートとが施されており、当該端面６６ｂは、固体レーザ光を透過させる一方、波長変換光ｄを反射する。レーザ媒質３６、４６、５６、及び６６の隣接するレーザ媒質間の各端面は、励起光のＡＲコートと固体レーザ光のＡＲコートとが施されており、励起光及び固体レーザ光は当該各端面を透過可能となっている。
【００９０】
波長変換素子７５は、固体レーザ光が通過する厚みが０．６ｍｍと非常に薄く、非常に広い位相整合許容幅をもつ。波長変換素子７５では、共振する固体レーザ光ＩＲ１、ＩＲ２、ＩＲ３の第２高調波ＳＨＧ１、ＳＨＧ２、ＳＨＧ３とともに、和周波ＳＦＧ１（ＩＲ１とＩＲ２との和周波）、ＳＦＧ２（ＩＲ２とＩＲ３との和周波）、ＳＦＧ３（ＩＲ１とＩＲ３との和周波）を同時に発生する。
【００９１】
波長変換レーザ６００では、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３６及びレーザ媒質６６、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質５６、並びに発振波長ＩＲ３のレーザ媒質４６を含み、前記３種類のレーザ媒質は同じ半導体レーザから出射する励起光で励起され、前記励起レーザ光は発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３６に入射した後、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質５６と発振波長ＩＲ３のレーザ媒質４６に入射し、その後に発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３６に入射する好ましい形態である。
【００９２】
このように、複数の発振波長の固体レーザ光を発振することで、複数のピーク波長をもつ波長変換光の出力が可能となる。波長変換光は、複数ピークを持つことで、コヒーレンシーは低下し、干渉ノイズを低減させることができる。励起光の波長が変化し、吸収係数が変動した場合に、吸収量に最も変動が生じるのは、励起光が初めに入射するレーザ媒質である。本実施の形態では、励起光が他のレーザ媒質を通過した後に、初めに入射するレーザ媒質と同じ発振波長のレーザ媒質に励起光を入射させることで、励起光の吸収量を補填し、広いスペクトル幅の波長変換光を安定して得ることができるようにしている。
【００９３】
なお、固体レーザにおけるレーザ媒質の種類は２種類又は３種類に限定されるものではない。すなわち、レーザ媒質の種類は２種類以上であればよく、例えば４種類以上であってもよい。これを一般化すると、固体レーザは、それぞれ発振波長が異なる第１〜第ｎ発振波長（ｎは２以上の整数）の固体レーザ光を発振する第１〜第ｎレーザ媒質を含むｎ種類のレーザ媒質を含み、前記ｎ種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起される構成とすることができる。そして、励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、前記第１レーザ媒質以外のレーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる部位に入射することによって、共振器内で第１〜第ｎ発振波長の固体レーザ光が発振するように構成すれば、上述と同様に広いスペクトル幅の波長変換光を安定して得ることができる。
【００９４】
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７による波長変換レーザ７００について、図９を参照しながら説明する。図９は、波長変換レーザ７００の概略構成を示している。なお、図９において、前述の実施の形態と同様のものについては、同一の参照符号を用い、その詳細な説明を適宜省略する。
【００９５】
波長変換レーザ７００は、レーザ媒質３７（第１レーザ媒質）、レーザ媒質４７（第２レーザ媒質）、レーザ媒質５７（第１レーザ媒質）の３つのレーザ媒質が２つの非レーザ媒質９間に挟まれた積層構造体を有している。非レーザ媒質９は、ＹＶＯ４のみからなりレーザ発振は行われない。
【００９６】
本波長変換レーザ７００の固体レーザ共振器は、レーザ媒質の積層構造体の側面９ａと凹面ミラー８とから形成されている。また、前記積層構造体と凹面ミラー８との間に、波長変換素子７７が配置されている。
【００９７】
波長変換レーザ７００では、励起ＬＤ１からの励起光を固体レーザ共振器の側面から入射する構成となっている。励起ＬＤ１を出射した励起光は、非レーザ媒質９を通過後、レーザ媒質３７、レーザ媒質４７、レーザ媒質５７の順に入射する。レーザ媒質３７は、Ｎｄ濃度２％、厚み０．１ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４からなる。レーザ媒質４７は、Ｎｄ濃度６％、厚み０．１ｍｍのＮｄ：ＧｄＶＯ４からなる。レーザ媒質５７は、Ｎｄ濃度６％、厚み０．１ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４からなる。非レーザ媒質９は、図９の上下部ともに０．３ｍｍの厚みをもつＹＶＯ４からなる。非レーザ媒質９は、それと隣接して接合されるレーザ媒質３７及びレーザ媒質５７と同じＹＶＯ４からなり、これらの接合界面において屈折率を同一にするために用いられる。レーザ媒質３７とレーザ媒質５７とは、第１発振波長としての発振波長ＩＲ１の固体レーザ光を発振する。レーザ媒質４７は、第２発振波長としての発振波長ＩＲ２の固体レーザ光を発振する。励起ＬＤ１を出射した励起光は、発振波長ＩＲ１のレーザ媒質３７に入射した後、発振波長ＩＲ２のレーザ媒質４７に入射し、その後発振波長ＩＲ１のレーザ媒質５７に入射する。
【００９８】
レーザ媒質３７、４７、及び５７と２つの非レーザ媒質９からなる積層構造体の両側面９ａ及び９ｂは、鏡面研磨されている。積層構造体の側面９ａには固体レーザ光のＨＲコートが施されている一方、側面９ｂには固体レーザ光のＡＲコートが施されている。波長変換素子７７は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）からなり、その厚みは１．５ｍｍである。また、波長変換素子７７の分極反転周期は７μｍであるが、両端から０．３ｍｍの箇所に０．３周期の位相段差が形成され、非常に広い位相整合許容幅を有している。波長変換素子７７は、固体レーザ光ＩＲ１の第２高調波ＳＨＧ１と、固体レーザ光ＩＲ２の第２高調波ＳＨＧ２と、固体レーザ光ＩＲ１とＩＲ２の和周波ＳＦＧ１を同時発生させることができる。波長変換素子７７の積層構造体側の端面７７ａには、波長変換光のＨＲコートと固体レーザ光のＡＲコートとが施されており、当該端面７７ａは波長変換光を反射する一方、固体レーザ光を透過させる。また、波長変換素子７７の凹面ミラー８側の端面７７ｂには、波長変換光と固体レーザ光のＡＲコートとが施されており、波長変換光及び固体レーザ光は当該端面７７ｂを透過する。
【００９９】
本波長変換レーザ７００は、いわゆる側面励起型レーザであり、上述のように、固体レーザ共振器の側面方向から励起光を入射するが、励起光のレーザ媒質への入射順を上記のようにすることで、実施の形態１の構成と同様の作用効果を奏し、低コヒーレントな波長変換光を安定して得ることができる。
【０１００】
（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８における画像表示装置１０００について、図１０ないし図１４を参照しながら説明する。図１０は、画像表示装置１０００の概略構成を示している。なお、図１０において、前述の実施の形態１〜７と同様のものについては、同一の参照符号を用い、その詳細な説明を適宜省略する。
【０１０１】
画像表示装置１０００は、緑色のレーザ光を出射する波長変換レーザ１００、赤色のレーザ光を出射する赤ＬＤ１０１０及び青色のレーザ光を出射する青ＬＤ１０２０、を有するレーザプロジェクタである。
【０１０２】
赤ＬＤ１０１０及び青ＬＤ１０２０を出射した光は、コリメータ１０２５でコリメートされ、波長変換レーザ１００を出射した光と合波プリズム１０３０で合波される。合波された光は、照明光学系１０４０で、矩形で均一な強度をもつ光に整形される。照明光学系１０４０は、クロスレンチキュラーレンズ及びコンデンサレンズからなる。整形されたビームは、偏光ビームスプリッターであるＰＢＳ１０６０を経て空間光変調素子１０５０を照明する。空間光変調素子１０５０は、反射型ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）からなり、偏光の回転により階調をあらわす。空間光変調素子１０５０を反射しＰＢＳ１０６０を通過した変調された光は、投射レンズ１０７０により表示面１０８０に拡大投射される。
【０１０３】
赤ＬＤ１０１０と青ＬＤ１０２０には、マルチモードＬＤを用い、スペクトル分布を拡げている。実施の形態１で詳述した波長変換レーザ１００は、波長の異なる固体レーザ光ＩＲ１とＩＲ２のそれぞれの第２高調波と和周波を同時に出力することで、スペクトル分布を拡げている。
【０１０４】
画像表示装置１０００は、複数の異なる波長の固体レーザ光からの第２高調波と和周波とを温度変化があっても安定して出力する低コヒーレントな波長変換レーザ１００と、出力した波長変換光の変調を行う素子１０５０を有する好ましい形態である。スペクトル分布が拡がった低コヒーレントな波長変換光を用いることで、画像ノイズとなるスペックルノイズを低減し、高品位の画像をいつも表示することができる。特に、持ち運んで使われるモバイルプロジェクターでは、温度の管理が難しいため、温度が変化しても常に画像ノイズとなるスペックルノイズを低減できる本構成は適している。本発明の波長変換レーザは、特に視感度が高い緑色レーザに用いることが好ましい。緑色は視感度が高いため、スペックルノイズが視聴者に認識されやすい。本発明の波長変換レーザを緑色レーザ光の発生に用いることで、スペックルノイズは視聴者に認識されなくなる。
【０１０５】
空間光変調素子１０５０は、赤、緑、青のレーザ光を時分割で変調を行う。すなわち、各色のレーザ光源からは、赤、青、緑のレーザ光が順次出射される。よって、緑色の波長変換レーザ１００も、波長変換光の出射と停止を繰り返すこととなる。
【０１０６】
画像表示装置１０００は、赤、青、緑の波長を発振するレーザ光源を有し、少なくとも緑のレーザ光源に広いスペクトル幅の波長変換光を出力する波長変換レーザを用い、３色のレーザ光源を色毎に順次出射するとき、波長変換レーザの半導体レーザを間欠的に出射することで、半導体レーザから出力される励起光のスペクトル幅を拡げ、波長変換レーザから出力される波長変換光の温度によるスペクトル変化を低減する好ましい形態である。波長変換レーザ１００の励起ＬＤ１は、励起光の出射と停止を繰り返す間欠動作により、ＬＤチップの発熱と冷却を繰り返し、出射中の時間内でＬＤチップに温度変化を生じさせる。ＬＤチップの温度変化により励起光の波長は変化するため、励起ＬＤ１はこの間欠的な動作により、出射する励起光のスペクトル幅が拡がる。図１１Ａは、励起光波長がＣＷ（連続発振）動作から、間欠動作にすることで、励起光のスペクトル幅が拡がる様子を示している。図１１Ｂは励起光の中心波長が変化した場合のレーザ媒質での吸収係数の変化の様子を示している。励起ＬＤ１を間欠動作とすることで、励起光のスペクトル幅が拡がり、吸収係数の励起光中心波長による変化量が小さくなる。また、間欠動作では、励起光中心波長が温度により変化しても、吸収係数変化が小さくなる。本実施の形態では、発振波長の異なる複数のレーザ媒質に励起光の吸収を分配するため、吸収係数の変化が小さいことが好ましい。吸収係数の変化を小さくすることで、波長変換レーザ１００から出力される波長変換光の温度によるスペクトル変化を低減することができる。この結果、画像表示装置１０００は常にスペックルノイズがない状態にすることができる。
【０１０７】
図１２ないし図１４は、波長変換レーザ１００における励起ＬＤ１への注入電流の概略波形と、励起光の波長分布を示している。波長変換レーザ１００では、図１２中の（ａ）に示すように励起ＬＤ１への注入電流を変調し、間欠動作を行う。図１３の階段状間欠動作及び図１４のノコギリ波状間欠動作は、波長変換レーザ１００の好ましい変調動作である。図１３及び図１４の間欠動作を実現する構成は、固体レーザの共振器内に波長変換素子を有する波長変換レーザにおいて、固体レーザは少なくとも発振波長ＩＲ１のレーザ媒質と発振波長ＩＲ２のレーザ媒質を含み、２種類のレーザ媒質は同じ半導体レーザ（励起ＬＤ１）から出射する励起光で励起され、固体レーザの共振器内で発振波長ＩＲ１と発振波長ＩＲ２の固体レーザ光が発振し、共振器内の波長変換素子７により、発振波長ＩＲ１と発振波長ＩＲ２の第２高調波ＳＨＧ１、ＳＨＧ２及び和周波ＳＦＧ１を同時に発生し、半導体レーザを間欠的に動作させ、半導体レーザの動作中（励起光出射中）の前期注入電流を後期注入電流よりも小さくする特徴を有する。なお前期注入電流とは半導体レーザ（励起ＬＤ１）動作中の前半部の平均注入電流、後期注入電流とは半導体レーザ動作中の後半部の平均注入電流を指す。図１３の例では、階段状に注入電流値を変調することで、前期注入電流を後期注入電流よりも小さくしている。また、図１４の例では、閾値電流まで上昇後、ノコギリ波状に注入電流を変調し、前期注入電流を後期注入電流よりも小さくしている。励起ＬＤ１から出射される励起光の中心波長は、温度の他に注入電流に対しても単調増加傾向にある。このため前期注入電流を後期注入電流よりも小さくすることは、前半部の温度及び注入電流値を低くし、励起ＬＤ１から出射される励起光のスペクトル分布の短波長側成分を拡げる効果がある。また後期注入電流は、図１２の矩形動作と同じ合計出力を得る場合、図１２の矩形動作に対し、注入電流を高く設定する。このとき後期注入電流部では励起光のスペクトル分布を長波長側にも拡げることとなる。前期注入電流を後期注入電流よりも小さくして動作することで、励起光の波長分布は非常に拡がり、レーザ媒質の励起光中心波長に対する吸収係数の変化が非常に緩やかになる。本実施の形態では、発振波長の異なるレーザ媒質に励起光の吸収を分配するが、励起光中心波長の変化に対し、吸収係数変化が小さくなることで、レーザ媒質の吸収量の偏りの変化を抑えることができる。これにより、低コヒーレントな波長変換出力光を温度などが変化しても安定して得ることができる。
【０１０８】
なお、画像表示装置の波長変換光の空間光変調素子には、上述の反射型ＬＣＯＳ以外にも、透過型液晶やＤＭＤなどの空間光変調素子を用いることもできる。また透過型液晶においては、投射レンズを用いず、液晶面を表示面とする形態としてもよい。また変調素子は、空間光変調素子だけでなく、波長変換光の強度変調と走査光学系を組み合わせる形態としてもよい。
【０１０９】
本実施の形態では、照明光学系にレンチキュラーレンズを用いたが、特にこれに限定されず、ロッドインテグレータやフライアイレンズを用いることができる。
【０１１０】
また、本実施の形態では、実施の形態１で詳述した波長変換レーザ１００を適用した例を示したが、これに限定されず、実施の形態２〜７で詳述した波長変換レーザ２００、３００、４００、５００、６００又は７００を適用することもできる。
【０１１１】
なお、本発明は上記の実施の形態１〜８に限定されず、それぞれの実施の形態１〜８を組み合わせた構成としてもよい。レーザ媒質のホスト材料は、バナデート結晶に限定されず、ＹＡＧなどのガーネット結晶やセラミックなどの多結晶体やガラスなどを用いることができる。活性イオン材料もＮｄに限定されず、Ｙｂなどレーザ発振をする材料であればよい。またミラーやレンズなどの光学部品を必要に応じて付加する構成としてもよい。
【０１１２】
上記の実施の形態１〜８では、波長変換素子に分極反転周期構造を有するＬＮもしくはＬＴを用いたが、その他の非線形光学結晶を用いることもできる。また、分極反転構造は、設計により周期に変化を加えるような構成としてもよい。
【０１１３】
また、上記の実施の形態１〜８では、緑色の波長変換光を出力する構成を示したが、出力する波長は限定されず、青、黄、赤などの各色のレーザを出力する構成としてもよい。
【０１１４】
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レーザは、励起光を出射する励起光源と、共振器を有する固体レーザと、前記共振器内に配置される波長変換素子とを含み、前記固体レーザは、少なくとも２種類のレーザ媒質である第１レーザ媒質と第２レーザ媒質とを含み、前記第１レーザ媒質は第１発振波長の固体レーザ光を発振すると共に、前記第２レーザ媒質は第２発振波長の固体レーザ光を発振し、前記少なくとも２種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、前記第２レーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる部位に入射することによって、前記共振器内で前記第１発振波長及び前記第２発振波長の固体レーザ光が発振するように構成され、前記共振器内の前記波長変換素子は、前記第１発振波長及び前記第２発振波長の固体レーザ光を、当該第１発振波長及び当該第２発振波長の第２高調波及び和周波に変換し、当該第２高調波及び当該和周波を同時に発生させる。
【０１１５】
上記の構成によれば、固体レーザは少なくとも２種類のレーザ媒質を含み、当該２種類のレーザ媒質は共通の励起光源から出射される励起光で励起される。ここで、励起光が、（１）第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、（２）第２レーザ媒質からなる部位に入射し、（３）その後に第１レーザ媒質からなる部位に入射することによって、固体レーザの共振器内で第１発振波長及び第２発振波長の固体レーザ光がバランス良く発振するようになっている。すなわち、上記（１）及び（２）の後で、上記（３）のように励起光を第１レーザ媒質からなる部位に入射させることによって２種類のレーザ媒質の励起光吸収量（励起光吸収率）の比が一定に保持されるように補償している。例えば、環境温度変化等によって励起光の波長が最適値からずれた場合、上記（１）における第１レーザ媒質での励起光の吸収係数は低下し、励起光の吸収率は低下する。これに伴って上記（２）における第２レーザ媒質に入射する励起光量が増える一方で、第２レーザ媒質の吸収係数の低下も同時に発生するので、上記（２）における第２レーザ媒質では、励起光の波長が変化しても吸収率に大きな変化がなく維持される。また、上記（１）及び（２）における第１レーザ媒質及び第２レーザ媒質での励起光の吸収係数の低下に伴って上記（３）における第１レーザ媒質に入射する励起光量が増えるので、上記（３）における第１レーザ媒質での励起光の吸収率は増加する。よって、上記（１）及び（３）における第１レーザ媒質のトータルの吸収率と、上記（２）における第２レーザ媒質の吸収率との比は、励起光の波長の変化量に関わらず略一定に保持されるのである。これにより、励起光の波長が変化しても、第１発振波長及び第２発振波長の固体レーザ光の強度比を、一定に保つことができる。このため、当該第１発振波長及び当該第２発振波長の第２高調波及び和周波を同時に発生する波長変換素子を用いても、波長変換光のスペクトル分布においてこれらの３つの波長に大きな偏りが生じることなく、広いスペクトル幅を保持することができる。以上のとおり、上記の構成によれば、温度変化などが生じて励起光の波長が変化した場合でも、安定してスペクトル幅の広い低コヒーレントな波長変換レーザ光を出力する波長変換レーザを実現できる。
【０１１６】
前記固体レーザは、前記第１レーザ媒質からなる２つの部位の間に前記第２レーザ媒質からなる部位が配置された構成であり、前記第１レーザ媒質からなる２つの部位のうち、前記励起光源から出射された前記励起光が後に入射される部位の活性イオン濃度が、前記励起光が先に入射される部位の活性イオン濃度よりも高いことが好ましい。
【０１１７】
上記の構成によれば、前記第１レーザ媒質からなる２つの部位の間に前記第２レーザ媒質からなる部位を配置している。このため、励起光の吸収による発熱点を複数の部位に分散させることができる。そして、第１レーザ媒質からなる２つの部位のうち、前記励起光源から出射された前記励起光が後に入射される部位（励起光パワーがより小さい部位）の活性イオン濃度を、前記励起光が先に入射される部位（励起光パワーがより大きい部位）の活性イオン濃度よりも高くしているので、励起光の吸収によるレーザ媒質の温度上昇をトータルで小さく抑えることができる。この結果、レーザ媒質の発熱による波長変換効率の低下を効率良く防ぐことができるため、高効率で高出力の波長変換レーザを実現できる。
【０１１８】
前記第１レーザ媒質がＮｄ：ＹＶＯ４であると共に、前記第２レーザ媒質がＮｄ：ＧｄＶＯ４であり、前記第１レーザ媒質と前記第２レーザ媒質とが接合されていることが好ましい。
【０１１９】
この場合、ＹＶＯ４とＧｄＶＯ４とは同じ結晶系であるため、屈折率及び熱膨張係数がほぼ等しい。そこで、これらの結晶系からなる第１レーザ媒質と第２レーザ媒質とを接合することで、ひとつの結晶として取り扱うことができる。このように、２種類のレーザ媒質の結晶を直接接合することで、結晶間の接合強度もとれ、切断などの加工も容易にできる。また、この接合によりレーザ媒質長を短くできるので、励起光の集光状態を保つのに有利である。さらに、励起光が初めに入射する第１レーザ媒質として、第２レーザ媒質よりも発振波長が長いＮｄ：ＹＶＯ４を用いている。発振波長が長いレーザ媒質に励起光を初めに入射することで、発振波長が長いレーザ媒質の方をより温度上昇させることになる。温度上昇したレーザ媒質は、発振波長が長波長側にシフトするため、発振波長の違いが温度上昇によりより大きくなり、出力される波長変換光のスペクトル幅をさらに拡げることができる。
【０１２０】
前記励起光源から最も遠くに配された前記第１レーザ媒質又は前記第２レーザ媒質からなる部位の前記波長変換素子側の端面に前記励起光の反射コートが形成されており、前記固体レーザ共振器内に、前記波長変換素子で発生した波長変換光をレーザ媒質に入射させることなく反射する界面をさらに含み、前記波長変換素子は、前記固体レーザ共振器の光軸に対して傾斜した分極反転周期構造を有し、前記波長変換光を２つのビームとして分離出力することが好ましい。
【０１２１】
上記の構成によれば、励起光源から最も遠くに配された第１レーザ媒質又は第２レーザ媒質からなる部位の波長変換素子側の端面に励起光の反射コートが形成されているので、当該反射コートで反射された励起光を、再度、励起光源側に配されたレーザ媒質に効率的に入射でき、レーザ媒質の積層数を削減できる。
【０１２２】
また、前記波長変換素子で発生した波長変換光をレーザ媒質に入射させることなく反射する界面を有しているので、波長変換光がレーザ媒質で吸収されることを回避し、波長変換光の出力低下及びレーザ媒質の発熱を抑制している。これにより、波長変換光を高効率に出力することができる。
【０１２３】
さらに、波長変換素子は、固体レーザ共振器の光軸に対して傾斜した分極反転周期構造を有しているので、波長変換光を２つのビーム（前記界面で反射されることなく出力される往路のビームと、前記界面で反射されて出力される復路のビーム）として分離出力することができるようになっている。このように、波長変換光を二つのビームとして分離出力することで、二つのビーム間の干渉を回避し、出力ゆらぎのない安定した波長変換光を発生することができる。
【０１２４】
前記固体レーザは、前記第１レーザ媒質からなる部位と前記第２レーザ媒質からなる部位との光学軸方向を異なる方向に配置した構成であり、前記第１発振波長及び前記第２発振波長の固体レーザ光が同一方向の直線偏光として前記共振器内で発振することが好ましい。
【０１２５】
上記の構成によれば、同じレーザ媒質材料を光学軸方向が異なる方向となるように配置することにより、第１レーザ媒質及び第２レーザ媒質の発振波長を異ならせることを可能とする。そして、第１レーザ媒質からなる部位と前記第２レーザ媒質からなる部位とで同じレーザ媒質材料を用いることができるため、低コスト化が図れる。
【０１２６】
前記第１レーザ媒質及び前記第２レーザ媒質は、正方晶のレーザ結晶であり、前記第１レーザ媒質及び前記第２レーザ媒質のｃ軸を、前記共振器の光軸に対して垂直方向及び平行方向の２種類の方向に異ならせて配置することにより、当該第１レーザ媒質及び当該第２レーザ媒質の発振波長を異ならせると共に、前記波長変換素子を前記固体レーザ共振器の光軸に対してブリュースタ角となるように配置することにより、前記第１発振波長及び前記第２発振波長の固体レーザ光を同一方向の直線偏光として前記共振器内で発振させることが好ましい。
【０１２７】
上記の構成によれば、第１レーザ媒質及び前記第２レーザ媒質の結晶の異方性を利用して、異なる波長の発振を実現しながら、ブリュースタ角を用いることにより、第１発振波長及び前記第２発振波長の固体レーザ光を同一方向の直線偏光として前記共振器内で発振させている。これにより、複数の波長の波長変換を同時に実現し、広いスペクトル幅を有する波長変換光を得ることができる。このような広いスペクトル幅を有する波長変換光は、干渉ノイズがなく、映像や照明の分野に広く好適に用いることができる。
【０１２８】
前記固体レーザは、第３発振波長の固体レーザ光を発振する第３レーザ媒質をさらに含む少なくとも３種類のレーザ媒質を含み、前記少なくとも３種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、少なくとも前記第２レーザ媒質からなる部位及び前記第３レーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる部位に入射するように構成されていることが好ましい。
【０１２９】
上記の構成によれば、少なくとも３種類の発振波長の固体レーザ光を発振することで、複数のピーク波長をもつ波長変換光の出力が可能となる。ここで、波長変換光は、複数ピークをバランス良く持つことで、コヒーレンシーは低下し、干渉ノイズを低減させることができるが、そのためには上述のように異なる種類のレーザ媒質の励起光の吸収量（又は吸収率）の比を、一定に保つことが必要となる。例えば環境温度変化等により励起光の波長が変化し、各レーザ媒質の吸収係数が変動した場合に、励起光の吸収量に最も変動が生じるのは、励起光が初めに入射するレーザ媒質（第１レーザ媒質）である。そこで、励起光が第１レーザ媒質以外のレーザ媒質（第２レーザ媒質及び第３レーザ媒質）を通過した後に、初めに入射するレーザ媒質と同じ発振波長のレーザ媒質（第１レーザ媒質）に励起光を入射させることで、励起光の吸収量の変動を補填している。これにより、温度変化などが生じて励起光の波長が変化した場合でも、安定してスペクトル幅の広い低コヒーレントな波長変換レーザ光を出力する波長変換レーザを実現できる。
【０１３０】
前記固体レーザは、それぞれ発振波長が異なる第１〜第ｎ発振波長（ｎは２以上の整数）の固体レーザ光を発振する第１〜第ｎレーザ媒質を含むｎ種類のレーザ媒質を含み、前記ｎ種類のレーザ媒質は、共通の前記励起光源から出射される前記励起光で励起され、前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位に入射した後、前記第１レーザ媒質以外のレーザ媒質からなる部位に入射し、その後に前記第１レーザ媒質からなる部位に入射することによって、前記共振器内で前記第１〜第ｎ発振波長の固体レーザ光が発振するように構成され、前記共振器内の前記波長変換素子は、前記第１〜第ｎ発振波長の固体レーザ光を、当該第１〜第ｎ発振波長の第２高調波及び和周波に変換し、当該第２高調波及び当該和周波を同時に発生させることが好ましい。
【０１３１】
上記の構成によれば、ｎ種類の発振波長の固体レーザ光を発振することで、その種類の数に応じた複数のピーク波長をもつ波長変換光の出力が可能となる。この場合も、最初に励起光を前記第１レーザ媒質からなる部位に入射させ、励起光が第１レーザ媒質以外のレーザ媒質を通過した後に、最初に入射したレーザ媒質と同じ発振波長のレーザ媒質（第１レーザ媒質）に励起光を入射させることで、励起光の吸収量の変動を補填できる。これにより、温度変化などが生じて励起光の波長が変化した場合でも、安定してスペクトル幅の広い低コヒーレントな波長変換レーザ光を出力する波長変換レーザを実現できる。
【０１３２】
前記励起光源から出射された前記励起光が最初に入射する部位における前記第１レーザ媒質の前記励起光の吸収率のピークは、１０％以上かつ７５％以下であることが好ましい。
【０１３３】
上記の構成によれば、第１レーザ媒質と第２レーザ媒質との間の吸収量の比を０．５〜２の好適な範囲に抑えることができ、スペクトル分布に偏りのない低コヒーレントな波長変換光を得ることができる。
【０１３４】
前記固体レーザは、前記励起光が前記第１レーザ媒質からなる部位と前記第２レーザ媒質からなる部位とを交互に２回以上入射するように構成されていることが好ましい。
【０１３５】
上記の構成によれば、温度変化により励起光の波長が変化して、第１レーザ媒質及び第２レーザ媒質の吸収係数が著しく変化した場合でも、当該２種類のレーザ媒質の励起光の吸収率の比を一定にすることができる。これにより、非常に広い温度範囲で、スペクトル幅が広い波長変換光を出力することが可能となる。
【０１３６】
本発明に係る画像表示装置は、上記のいずれかに記載の波長変換レーザと、前記波長変換レーザから出力される波長変換光の変調を行う素子とを含む。
【０１３７】
この画像表示装置においては、温度変化などが生じた場合でも安定してスペクトル分布が拡がった低コヒーレントな波長変換光を用いることができるので、画像ノイズとなるスペックルノイズを低減し、高品位の画像を安定的に表示することができる。
【０１３８】
上記画像表示装置は、赤色の波長を発振する赤色レーザ光源と、緑色の波長を発振する緑色レーザ光源と、青色の波長を発振する青色レーザ光源とを含み、前記緑色レーザ光源は前記波長変換レーザを含み、前記赤色レーザ光源、前記緑色レーザ光源及び前記青色レーザ光源は、色毎にレーザ光を順次出射し、前記波長変換レーザは、前記励起光の出射と停止とを繰り返す前記励起光源の間欠動作により、前記励起光のスペクトル幅を拡げ、前記波長変換光の温度変化によるスペクトル変化を低減することが望ましい。
【０１３９】
上記の構成によれば、温度変化などが生じた場合でも安定してスペクトル分布が拡がった低コヒーレントな波長変換光を発生できる波長変換レーザを、緑色レーザ光源として用いているので、認識され易い緑色のスペックルノイズの除去を行うことができる。また、各色のレーザ光源からは、赤、青、緑のレーザ光が時分割で順次出射されるので、緑色の波長を発振する波長変換レーザも、波長変換光の出射と停止を繰り返すこととなる。この波長変換レーザは、前記励起光の出射と停止とを繰り返す間欠動作を行うので、励起光源は発熱と冷却を繰り返し、励起光出射中の時間内で励起光源に温度変化を生じさせる。これにより、励起光源から出射される励起光の波長が変化し、そのスペクトル幅が拡がる。そして、記励起光源の間欠動作により励起光のスペクトル幅が拡がれば、各レーザ媒質の吸収係数の励起光中心波長による変化量が小さくなる。波長変換レーザは、発振波長の異なる複数のレーザ媒質に励起光の吸収を分配するため、各レーザ媒質の吸収係数の変化量が小さくなれば、出力される波長変換光の温度変化によるスペクトル変化を低減することができる。この結果、スペックルノイズがない高画質の画像表示装置を実現できる。
【０１４０】
上記画像表示装置において、前記波長変換レーザは、前記励起光源の動作中に当該励起光源へ注入される注入電流の前半部の平均注入電流である前期注入電流を、当該注入電流の後半部の平均注入電流である後期注入電流よりも小さくすることが好ましい。
【０１４１】
ここで、励起光源から出射される励起光の中心波長は、注入電流に対して単調増加傾向にある。このため上記の構成のように前期注入電流を後期注入電流よりも小さくすることは、注入電流の前半部の温度及び注入電流値を低くし、励起光源から出射される励起光のスペクトル分布の短波長側成分を拡げる効果がある。前期注入電流を小さく設定した分、後期注入電流を大きく設定することが可能となり、これによって励起光のスペクトル分布を長波長側にも拡げることが可能となる。このように、前期注入電流を後期注入電流よりも小さくして動作することで、励起光の波長分布は大幅に拡がり、各レーザ媒質の励起光中心波長に対する吸収係数の変化が非常に緩やかになる。波長変換レーザは、発振波長の異なる複数のレーザ媒質に励起光の吸収を分配するため、各レーザ媒質の吸収係数の変化量が小さくなれば、出力される波長変換光の温度変化によるスペクトル変化を低減することができる。この結果、スペックルノイズがない高画質の画像表示装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明の波長変換レーザは、低干渉性が求められる各波長変換レーザに利用することができる。特に、映像分野や照明分野の低コヒーレント高効率小型レーザに適している。
【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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