(57)【要約】【課題】１つの固体レーザ素子を搭載するだけで、僅かに異なる複数の波長の光を出力することができるようにする。【解決手段】固体レーザ素子３から出力された基本波を複屈折させて、基本波である波長１０４７ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０４７ｎｍの光を減少させる波長変換素子４と、基本波である波長１０５３ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０５３ｎｍの光を減少させる波長変換素子５とを備え、固体レーザ素子３のａ軸，ｃ軸が光軸に垂直な面内にあり、固体レーザ素子３のａ軸，ｃ軸と波長変換素子４，５のａ軸，ｃ軸が傾きを有しているように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発振する半導体レーザと、
第１の波長の光に対して利得を持つ第１の光学軸及び第２の波長の光に対して利得を持つ第２の光学軸を有する結晶で構成されており、一方の端面から上記半導体レーザにより発振された励起光を入射し、上記励起光を吸収して上記第１及び第２の波長の光を他方の端面から出力する固体レーザ素子と、
一方の端面が上記固体レーザ素子の他方の端面と向かい合っており、上記固体レーザ素子の他方の端面から出力された光を複屈折させて、上記第１の波長の光の強度が大きいほど、上記第１の波長の光を減少させる第１の光学素子と、
一方の端面が上記第１の光学素子の他方の端面と向かい合っており、上記第１の光学素子の他方の端面から出力された光を複屈折させて、上記第２の波長の光の強度が大きいほど、上記第２の波長の光を減少させる第２の光学素子と、
上記固体レーザ素子の一方の端面側に配置され、上記第１及び第２の波長の光を反射する第１の反射鏡と、
上記第２の光学素子の他方の端面側に配置され、上記第１及び第２の波長の光を反射する第２の反射鏡とを備え、
上記固体レーザ素子における光学軸が光軸に垂直な面内にあり、上記光学軸と上記第１及び第２の光学素子における光学軸が傾きを有している
ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
第１の光学素子は第１の波長の光の波長を変換する波長変換素子、第２の光学素子は第２の波長の光の波長を変換する波長変換素子であり、上記第１及び第２の光学素子による波長変換後の光が第２の反射鏡を透過することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
第１及び第２の光学素子による波長変換後の光が第２高調波の光であることを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】
第１及び第２の光学素子は、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３を材料として分極反転が形成されている光学部品であることを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
【請求項５】
１つの材料に分極反転がそれぞれ形成されて、第１及び第２の光学素子が一体的に形成されていることを特徴とする請求項４記載のレーザ装置。
【請求項６】
第１の反射鏡は固体レーザ素子の一方の端面にコーティングされ、第２の反射鏡は第２の光学素子の他方の端面にコーティングされていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項７】
励起光を発振する半導体レーザと、
第１の波長の光に対して利得を持つ第１の光学軸及び第２の波長の光に対して利得を持つ第２の光学軸を有する結晶で構成されており、一方の端面から上記半導体レーザにより発振された励起光を入射し、上記励起光を吸収して上記第１及び第２の波長の光を他方の端面から出力する固体レーザ素子と、
一方の端面が上記固体レーザ素子の他方の端面と向かい合っており、上記固体レーザ素子の他方の端面から出力された光を複屈折させて、上記第１の波長の光の強度が大きいほど、上記第１の波長の光を減少させる第１の光学素子と、
一方の端面が上記第１の光学素子の他方の端面と向かい合っており、上記第１の光学素子の他方の端面から出力された光を複屈折させて、上記第２の波長の光の強度が大きいほど、上記第２の波長の光を減少させる第２の光学素子と、
一方の端面が上記第２の光学素子の他方の端面と向かい合っており、上記第２の光学素子の他方の端面から出力された光を複屈折させて、上記第１及び第２の波長の光の強度が大きいほど、上記第１及び第２の波長の光を減少させる第３の光学素子と、
上記固体レーザ素子の一方の端面側に配置され、上記第１及び第２の波長の光を反射する第１の反射鏡と、
上記第３の光学素子の他方の端面側に配置され、上記第１及び第２の波長の光を反射する第２の反射鏡とを備え、
上記固体レーザ素子における光学軸が光軸に垂直な面内にあり、上記光学軸と上記第１、第２及び第３の光学素子における光学軸が傾きを有している
ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項８】
第１の光学素子は第１の波長の光の波長を変換する波長変換素子、第２の光学素子は第２の波長の光の波長を変換する波長変換素子、第３の光学素子は第１及び第２の波長の光から第３の波長の光を発生する波長変換素子であり、上記第１及び第２の光学素子による波長変換後の光及び上記第３の光学素子により発生された第３の波長の光が第２の反射鏡を透過することを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
【請求項９】
第１及び第２の光学素子による波長変換後の光が第２高調波の光であり、
第３の光学素子により発生された第３の波長の光が、第１の波長と第２の波長との和周波の光である
ことを特徴とする請求項８記載のレーザ装置。
【請求項１０】
第１、第２及び第３の光学素子は、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３を材料として分極反転が形成されている光学部品であることを特徴とする請求項８記載のレーザ装置。
【請求項１１】
１つの材料に分極反転がそれぞれ形成されて、第１、第２及び第３の光学素子が一体的に形成されていることを特徴とする請求項１０記載のレーザ装置。
【請求項１２】
第１の反射鏡は固体レーザ素子の一方の端面にコーティングされ、第２の反射鏡は第３の光学素子の他方の端面にコーティングされていることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
【請求項１３】
固体レーザ素子及び光学素子が導波路構造を有していることを特徴とする請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、プロジェクタ装置などの光源に用いられるレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、プロジェクタ装置やプロジェクションテレビなどのように、カラー画像を表示する装置では、光源として、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３つの色が必要とされる。
近年、これらの光源として、９００ｎｍ帯，１μｍ帯，１．３μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光として発振し、非線形材料を用いて、その基本波レーザ光を第２高調波変換（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）光に変換する波長変換レーザ装置（レーザ発振器）が開発されている。
【０００３】
例えば、以下の特許文献１には、半導体レーザ素子、固体レーザ素子及び波長変換素子から構成されている波長変換レーザ装置が開示されている。
この波長変換レーザ装置では、半導体レーザ素子が励起光を発振すると、固体レーザ素子が半導体レーザ素子から発振された励起光を吸収することで基本波を発生し、波長変換素子が固体レーザ素子から発生された基本波の波長を変換して、基本波の２倍高調波を発生している。
【０００４】
この波長変換レーザ装置のように、基本波を発生させるレーザ媒質として、固体レーザ素子を用いる場合、その基本波の波長スペクトル幅が非常に狭いものになるため、基本波の２倍高調波の波長スペクトル幅も非常に狭いものになる特徴がある。
この特徴は、コヒーレンシーが高いことを意味し、様々なメリットがある反面、ディスプレイなどの光源に用いる場合は、干渉が強くなることでスペックルノイズが大きくなるデメリットがある。
スペックルノイズを低減する方法の１つとして、複数の波長の光を混合することで、コヒーレンシーを低下させる方法がある。
上記のようなレーザ装置で、複数の波長の光を得るには、複数の波長の基本波を発生させて、各々の基本波の波長を変換すればよい。
【０００５】
図６は従来の波長変換レーザ装置を示す構成図である。
図６において、半導体レーザ１０１は励起光を発振する光源であり、レンズ１０２は半導体レーザ１０１により発振された励起光を固体レーザ素子１０３に集光する光学部品である。
固体レーザ素子１０３はレンズ１０２により集光された励起光を吸収して、基本波である波長Ａのレーザ光を発生するレーザ媒質であり、固体レーザ素子１０４は励起光を吸収して、基本波である波長Ｂのレーザ光を発生するレーザ媒質である。
波長変換素子１０５は固体レーザ素子１０３，１０４により発生された波長Ａ，Ｂのレーザ光の波長変換を実施して、２つの波長変換光を出力する光学部品である。
図６の波長変換レーザ装置は、２つの波長変換光を出力する装置であるが、以下の特許文献２にも同様の装置が開示されている。
【０００６】
このように、レーザ媒質として、２つの固体レーザ素子１０３，１０４を搭載すれば、２つの波長変換光を出力することができるため、スペックルノイズを低減することができる。
ここで、緑色光の光源のスペックル対策として、複数波長化を考えると、緑色である５３２ｎｍ付近で僅かに異なる複数の波長を取り出す必要がある。したがって、基本波を発生するレーザ媒質としては、１０６４ｎｍ付近で僅かに異なる複数の波長の光を発振する材料を準備する必要がある。
しかし、１０６４ｎｍ付近の波長の光を発振するレーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を除いて、ほとんど存在しておらず、現実的には、１０６４ｎｍ付近で僅かに異なる複数の波長の光を発振させることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００６／１０３７６７号パンフレット
【特許文献２】特開２００６-６６４３６号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のレーザ装置は以上のように構成されているので、レーザ媒質として、２つの固体レーザ素子を搭載すれば、２つの波長変換光を出力することができるが、２つの固体レーザ素子を搭載することで、装置の大型化やコスト高を招いてしまう課題があった。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、１つの固体レーザ素子を搭載するだけで、僅かに異なる複数の波長の光を出力することができるレーザ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るレーザ装置は、励起光を発振する半導体レーザと、第１の波長の光に対して利得を持つ第１の光学軸及び第２の波長の光に対して利得を持つ第２の光学軸を有する結晶で構成されており、一方の端面から半導体レーザにより発振された励起光を入射し、その励起光を吸収して第１及び第２の波長の光を他方の端面から出力する固体レーザ素子と、一方の端面が固体レーザ素子の他方の端面と向かい合っており、固体レーザ素子の他方の端面から出力された光を複屈折させて、第１の波長の光の強度が大きいほど、第１の波長の光を減少させる第１の光学素子と、一方の端面が第１の光学素子の他方の端面と向かい合っており、第１の光学素子の他方の端面から出力された光を複屈折させて、第２の波長の光の強度が大きいほど、第２の波長の光を減少させる第２の光学素子と、固体レーザ素子の一方の端面側に配置され、第１及び第２の波長の光を反射する第１の反射鏡と、第２の光学素子の他方の端面側に配置され、第１及び第２の波長の光を反射する第２の反射鏡とを備え、固体レーザ素子における光学軸が光軸に垂直な面内にあり、その光学軸と第１及び第２の光学素子における光学軸が傾きを有しているようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、固体レーザ素子から出力された光を複屈折させて、第１の波長の光の強度が大きいほど、第１の波長の光を減少させる第１の光学素子と、第１の光学素子から出力された光を複屈折させて、第２の波長の光の強度が大きいほど、第２の波長の光を減少させる第２の光学素子とを備え、固体レーザ素子における光学軸が光軸に垂直な面内にあり、その光学軸と第１及び第２の光学素子における光学軸が傾きを有しているように構成したので、１つの固体レーザ素子を搭載するだけで、僅かに異なる複数の波長の光を出力することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーザ装置の構成を示す上面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザ装置の動作原理を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるレーザ装置の構成を示す上面図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるレーザ装置の動作原理を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態３によるレーザ装置の構成を示す上面図である。
【図６】従来の波長変換レーザ装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ装置の構成を示す上面図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるレーザ装置の動作原理を示す斜視図である。
図１及び図２において、半導体レーザ１は励起光を発振する光源である。
レンズ２は半導体レーザ１により発振された励起光を固体レーザ素子３に集光する光学部品である。
【００１４】
固体レーザ素子３は例えば１０４７ｎｍの波長（第１の波長）の光に対して利得を持つａ軸（第１の光学軸）と、１０５３ｎｍの波長（第２の波長）の光に対して利得を持つｃ軸（第２の光学軸）とを有する結晶で構成されており、一方の端面３ａからレンズ２により集光された励起光を入射し、その励起光を吸収して、基本波である波長１０４７ｎｍの光及び波長１０５３ｎｍの光を他方の端面３ｂから出力するレーザ媒質である。
固体レーザ素子３の材料としては、例えば、Ｎｄが添加されたＹＬＦ材料（Ｎｄ：ＹＬＦ）を用いることができる。
このＮｄ：ＹＬＦ材料は、結晶軸のａ軸方向の利得ピーク波長が１０４７ｎｍ付近であり、結晶軸のｃ軸方向の利得ピーク波長が１０５３ｎｍ付近であるという特徴を有している。
図１の例では、固体レーザ素子３であるＮｄ：ＹＬＦ材料を励起することができるように、半導体レーザ１から発振される励起光の波長が７９２ｎｍ付近になっている。
【００１５】
波長変換素子４は一方の端面４ａが固体レーザ素子３の他方の端面３ｂと向かい合っており、固体レーザ素子３の端面３ｂから出力された基本波を複屈折させて、基本波である波長１０４７ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０４７ｎｍの光を減少させる第１の光学素子である。
即ち、波長変換素子４は、例えば、ＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３を材料として、分極反転が形成されているため（分極反転の分極方向は、図１の紙面に対して垂直方向）、波長１０４７ｎｍの光をＳＨＧ光（第２高調波の光）に変換する。
なお、波長変換素子４の光学軸であるｃ軸は、図１の紙面に対して垂直方向になるように配置されており、固体レーザ素子３の光学軸であるｃ軸が図１の紙面の水平面から４５°傾けて配置されているため、波長変換素子４のｃ軸と固体レーザ素子３のｃ軸は４５°の傾きがある。
ここでは、波長変換素子４の材料が、ＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３である例を示しているが、これは一例に過ぎず、例えば、ＭｇＯが添加されたＬｉＴａＯ３であってもよい。
【００１６】
波長変換素子５は一方の端面５ａが波長変換素子４の他方の端面４ｂと向かい合っており、波長変換素子４の端面４ｂから出力された基本波を複屈折させて、基本波である波長１０５３ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０５３ｎｍの光を減少させる第２の光学素子である。
即ち、波長変換素子５は、例えば、ＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３を材料として、分極反転が形成されているため（分極反転の分極方向は、図１の紙面に対して垂直方向）、波長１０５３ｎｍの光をＳＨＧ光（第２高調波の光）に変換する。
なお、波長変換素子５の光学軸であるｃ軸は、図１の紙面に対して垂直方向になるように配置されており、固体レーザ素子３の光学軸であるｃ軸が図１の紙面の水平面から４５°傾けて配置されているため、波長変換素子５のｃ軸と固体レーザ素子３のｃ軸は４５°の傾きがある。
ここでは、波長変換素子５の材料が、ＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３である例を示しているが、これは一例に過ぎず、例えば、ＭｇＯが添加されたＬｉＴａＯ３であってもよい。
【００１７】
反射鏡６は固体レーザ素子３の端面３ａにコーティングされており、反射鏡６は半導体レーザ１により発振された励起光（Ｎｄ：ＹＬＦ励起波長の励起光）を透過させる一方、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光を反射する特性を有する光学部品である。なお、反射鏡６は第１の反射鏡を構成している。
反射鏡７は固体レーザ素子３の端面３ｂにコーティングされており、反射鏡７は基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光を透過させる一方、励起光（Ｎｄ：ＹＬＦ励起波長の励起光）を反射する特性を有する光学部品である。
【００１８】
反射鏡８は波長変換素子４の端面４ａにコーティングされており、反射鏡８は基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光を透過させる一方、第２高調波の光であるＳＨＧ光を反射する特性を有する光学部品である。
光透過部品９は波長変換素子４の端面４ｂにコーティングされており、光透過部品９は基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光及び第２高調波の光であるＳＨＧ光を透過させる特性を有する光学部品である。
【００１９】
光透過部品１０は波長変換素子５の端面５ａにコーティングされており、光透過部品１０は基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光及び第２高調波の光であるＳＨＧ光を透過させる特性を有する光学部品である。
反射鏡１１は波長変換素子５の端面５ｂにコーティングされており、反射鏡１１は第２高調波の光であるＳＨＧ光を透過させる一方、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光を反射する特性を有する光学部品である。なお、反射鏡１１は第２の反射鏡を構成している。
【００２０】
次に動作について説明する。
レンズ２は、半導体レーザ１が波長７９２ｎｍ付近の励起光を発振すると、その励起光を固体レーザ素子３に集光する。
固体レーザ素子３は、端面３ａからレンズ２により集光された励起光を入射し、その励起光を吸収して、基本波である波長１０４７ｎｍの光と、基本波である波長１０５３ｎｍの光とを端面３ｂから出力する。
【００２１】
波長変換素子４は、端面４ａから固体レーザ素子３の端面３ｂより出力された２つの基本波を入射すると、その基本波を複屈折させて、基本波である波長１０４７ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０４７ｎｍの光を減少させる。
即ち、波長変換素子４は、光学軸であるｃ軸が図１の紙面に対して垂直方向になるように配置され、基本波である波長１０４７ｎｍの光からＳＨＧ光が発生されるように分極反転が形成されている。その分極反転の分極方向は、図１の紙面に対して垂直方向になっている。
これにより、波長変換素子４では、波長１０４７ｎｍの光の光電界のうち、図１の紙面に垂直な方向の成分についての波長変換が可能であり、波長１０４７ｎｍの光がＳＨＧ光である波長５２３．５ｎｍの光に変換される。
【００２２】
波長変換素子４の端面４ｂには光透過部品９がコーティングされ、波長変換素子５の端面５ａには光透過部品１０がコーティングされているが、光透過部品９，１０は、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光及びＳＨＧ光である波長５２３．５ｎｍの光を透過させる特性を有しているため、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光及びＳＨＧ光である波長５２３．５ｎｍの光は、波長変換素子４の端面４ｂ及び波長変換素子５の端面５ａを透過して、波長変換素子５に入射される。
【００２３】
波長変換素子５は、端面５ａから波長変換素子４の端面４ｂより出力された２つの基本波及びＳＨＧ光を入射すると、その基本波を複屈折させて、基本波である波長１０５３ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０５３ｎｍの光を減少させる。
即ち、波長変換素子５は、光学軸であるｃ軸が図１の紙面に対して垂直方向になるように配置され、基本波である波長１０５３ｎｍの光からＳＨＧ光が発生されるように分極反転が形成されている。その分極反転の分極方向は、図１の紙面に対して垂直方向になっている。
これにより、波長変換素子５では、波長１０５３ｎｍの光の光電界のうち、図１の紙面に垂直な方向の成分についての波長変換が可能であり、波長１０５３ｎｍの光がＳＨＧ光である波長５２６．５ｎｍの光に変換される。
【００２４】
波長変換素子５の端面５ｂには反射鏡１１がコーティングされているが、反射鏡１１は、ＳＨＧ光を透過させる一方、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光を反射する特性を有しているため、波長変換素子４により変換されたＳＨＧ光である波長５２３．５ｎｍの光と、波長変換素子５により変換されたＳＨＧ光である波長５２６．５ｎｍの光は、波長変換素子５の端面５ｂを透過して外部に出力される。
なお、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光は、波長変換素子５の端面５ｂに反射されるため、波長変換素子４の方向に戻る。
【００２５】
図１のレーザ装置は、固体レーザ素子３のｃ軸が、基本波の進行方向である光軸を中心として、図１の紙面の水平面から４５°傾けて配置されていることを特徴としている（図２を参照）。
図１では、傾け角度が４５°である例を示しているが、２つの基本波（波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光）が、波長変換素子４，５で波長変換される電界成分を持つことになる角度であれば、何度に傾けても構わない。固体レーザ素子３の材料として、Ｎｄ：ＹＬＦ材料を用いている場合、傾き角度をｎ×９０°（ｎ：整数）以外の角度に傾ければよい。
【００２６】
以下、波長変換素子４，５による波長変換の原理について説明する。
半導体レーザ１から発振される励起光の強度を上げていくと、固体レーザ素子３内の活性イオンが励起されて反転分布が形成される。
これにより、利得が高い波長１０４７ｎｍの基本波が、固体レーザ素子３のａ軸方向に偏光した直線偏光として固体レーザ素子３内を進行する。
その後、偏光方向が波長変換素子４の光学軸に対して傾いて、その基本波が波長変換素子４に入射されることになる。
波長変換素子４の材料であるＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３は、複屈折性を持っているため、波長１０４７ｎｍの基本波は、波長変換素子４，５内を進行する間に偏光方向が回転する。
このとき、波長１０４７ｎｍの基本波の光電界の垂直方向成分がＳＨＧ変換に寄与し、波長変換素子４内で、波長１０４７ｎｍの光の２倍のフォトンエネルギーを有する波長５２３．５ｎｍのＳＨＧ光に変換されることになる。
【００２７】
このＳＨＧ光への変換によって、基本波である波長１０４７ｎｍの光は減少する（光損失が発生する）ことになる。ＳＨＧ光への変換効率は、その非線形性によって、基本波の光強度の２乗に比例して増大するが、これは基本波の光強度が増大するほど、光損失の増大幅が大きくなることを意味する。
よって、波長１０４７ｎｍの光の強度が大きくなるほど、波長１０４７ｎｍの光の共振器損失が増大し、レーザ発振のためのしきい値利得が高くなる。その結果、波長１０４７ｎｍの光に利得を与える励起イオン数が増大し、それと熱平衡状態にある波長１０５３ｎｍの光に利得を与える励起イオン数も増大するため、波長１０５３ｎｍの光の発振が可能になる。
このとき、波長１０５３ｎｍの光の利得は、固体レーザ素子３のｃ軸方向に発生しているため、ｃ軸方向に偏光した直線偏光として発振する。
【００２８】
波長１０５３ｎｍの基本波は、波長１０４７ｎｍの基本波と同様に、波長変換素子４，５内を進行する間に偏光方向が回転する。
このとき、波長１０５３ｎｍの基本波の光電界の垂直方向成分がＳＨＧ変換に寄与し、波長変換素子５内で、波長１０５３ｎｍの光の２倍のフォトンエネルギーを有する波長５２６．５ｎｍのＳＨＧ光に変換されることになる。
この場合も、ＳＨＧ光への変換による光損失が同様のメカニズムで発生する。つまり、波長１０５３ｎｍの光の強度が大きくなるほど、光強度の２乗に比例した共振器損失が発生することになる。
【００２９】
以上のように、一方の波長の基本波の光強度が大きくなるほど光損失が増大して、その基本波を発振させるために必要な利得が増大し、定常状態でのイオン数が増大した結果、他方の波長に対する利得が大きくなって、発振し易くなるといった現象が発生することから、２つの基本波が競合することになる。
波長１０４７ｎｍの光に対するしきい値利得を与える上準位イオン数Ｎ１と、波長１０５３ｎｍ光に対するしきい値利得を与える上準位イオン数Ｎ２は、各基本波の光強度で決定される光損失量によって決まることになるが、上準位イオン数Ｎ１と上準位イオン数Ｎ２が熱平衡条件を満たすような各々の光強度において、定常発振することになる。
【００３０】
このような状態は、基本波の光強度が大きいほど、その基本波に対する光損失がより大きくなるという状況下、つまり、基本波が固体レーザ素子３と波長変換素子４，５のような基本波に光損失を与える光学素子の両方を周回する方式でのみ起こりうるものである。
したがって、２つの異なる波長に利得を有する固体レーザ素子３と、その両波長に対して波長変換のような光損失を与える光学素子とを有し、基本波がその両方の素子を含む共振器によって発振するような構成において実現可能なものである。
【００３１】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、固体レーザ素子３から出力された基本波を複屈折させて、基本波である波長１０４７ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０４７ｎｍの光を減少させる波長変換素子４と、波長変換素子４から出力された基本波を複屈折させて、基本波である波長１０５３ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０５３ｎｍの光を減少させる波長変換素子５とを備え、固体レーザ素子３のａ軸，ｃ軸が光軸に垂直な面内にあり、固体レーザ素子３のａ軸，ｃ軸と波長変換素子４，５のａ軸，ｃ軸が傾きを有しているように構成したので、１つの固体レーザ素子３を搭載するだけで、僅かに異なる複数の波長の光（波長５２３．５ｎｍのＳＨＧ光、波長５２６．５ｎｍのＳＨＧ光）を出力することができる効果を奏する。
【００３２】
この実施の形態１では、固体レーザ素子３の光学軸を傾けることを特徴としており、固体レーザ素子３の光学軸を傾けることで、２つの基本波を波長変換素子４，５で波長変換できるようにしている。
光学軸を傾けていない場合、例えば、固体レーザ素子３のａ軸を垂直に配置した場合は、固体レーザ素子３のｃ軸方向に発振する波長１０５３ｎｍの基本波が、垂直方向の電界成分を持たないために、波長変換素子５で波長変換されないことになる。
波長変換素子５で波長変換されない場合、波長１０５３ｎｍの基本波に対する光損失が、光強度の２乗に比例して大きくならないため、波長１０４７ｎｍの基本波のしきい値利得が大きくならずに、波長１０４７ｎｍの基本波での発振が停止することになる。
その場合、波長１０５３ｎｍの基本波と、そのＳＨＧ光である波長５２６．５ｎｍの光しか出力することができない。波長板を用いて偏光を回転させることにより、この問題は解決することができるが、この実施の形態１のように、固体レーザ素子３の光学軸を傾けることによって、波長板を使うことなく、２つの基本波の同時発振を実現することができる。
【００３３】
なお、この実施の形態１では、固体レーザ素子３の材料として、Ｎｄが添加されたＹＬＦ材料（Ｎｄ：ＹＬＦ）を用いる例を示したが、複数の利得波長を持つ材料であれば、Ｎｄ：ＹＬＦ以外の材料を用いても、同様の機能を実現することができることは言うまでもない。
また、利得ピークを持つ偏光方向は、互いに直交していなくても、上記に示すような基本波間の競合が発生するため、複数波長での発振が可能である。
【００３４】
また、この実施の形態１では、分極反転の方向が同方向になるように、波長変換素子４と波長変換素子５を別個に作製して配置しているが、１つの材料（ＬｉＮｂＯ３、または、ＬｉＴａＯ３）に分極反転をそれぞれ形成することで、波長変換素子４と波長変換素子５を一体的に形成するようにしてもよい。
このように、波長変換素子４と波長変換素子５を一体的に同時に作製すれば、安価かつ容易に製造が可能になる。 
【００３５】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるレーザ装置の構成を示す上面図であり、図４はこの発明の実施の形態２によるレーザ装置の動作原理を示す斜視図である。
図３及び図４において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
波長変換素子２０は一方の端面２０ａが固体レーザ素子３の他方の端面３ｂと向かい合っており、固体レーザ素子３の端面３ｂから出力された基本波を複屈折させる光学素子である。
即ち、波長変換素子２０は例えばＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３を材料として、分極反転が形成されており（分極反転の分極方向は、図３の紙面に対して垂直方向）、領域２１、領域２２及び領域２３に分かれている。
【００３６】
波長変換素子２０の領域２１は固体レーザ素子３の端面３ｂから出力された基本波を複屈折させて、波長１０４７ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０４７ｎｍの光を減少させる第１の光学素子であって、波長１０４７ｎｍの光からＳＨＧ光を発生させるような周期の分極反転が形成されている。
波長変換素子２０の領域２２は固体レーザ素子３の端面３ｂから出力された基本波を複屈折させて、波長１０５３ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０５３ｎｍの光を減少させる第２の光学素子であって、波長１０５３ｎｍの光からＳＨＧ光を発生させるような周期の分極反転が形成されている。
波長変換素子２０の領域２３は波長１０４７ｎｍの光及び波長１０５３ｎｍの光の強度が大きいほど、波長１０４７ｎｍの光及び波長１０５３ｎｍの光を減少させる第３の光学素子であって、波長１０４７ｎｍと波長１０５３ｎｍの和周波変換（ＳＦＧ：Ｓｕｍ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）光を発生させるような分極反転が形成されている。
図３では、領域２１、領域２２及び領域２３が一体形成されている例を示しているが、領域２１、領域２２及び領域２３が別個に製作されていてもよいことは言うまでもない。
【００３７】
なお、波長変換素子２０の光学軸（領域２１、領域２２及び領域２３の光学軸）であるｃ軸は、図３の紙面に対して垂直方向になるように配置されており、固体レーザ素子３の光学軸であるｃ軸が図３の紙面の水平面から４５°傾けて配置されているため、波長変換素子２０のｃ軸と固体レーザ素子３のｃ軸は４５°の傾きがある。
ここでは、波長変換素子２０の材料が、ＭｇＯが添加されたＬｉＮｂＯ３である例を示しているが、これは一例に過ぎず、例えば、ＭｇＯが添加されたＬｉＴａＯ３であってもよい。
【００３８】
反射鏡２４は固体レーザ素子２０の端面２０ａにコーティングされており、反射鏡２４は半導体レーザ１により発振された励起光（Ｎｄ：ＹＬＦ励起波長の励起光）を透過させる一方、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光を反射する特性を有する光学部品である。なお、反射鏡２４は第１の反射鏡を構成している。
反射鏡２５は波長変換素子２０の端面２０ｂにコーティングされており、反射鏡２５は第２高調波の光であるＳＨＧ光及びＳＦＧ光を透過させる一方、基本波である波長１０４７ｎｍ，波長１０５３ｎｍの光を反射する特性を有する光学部品である。なお、反射鏡２５は第２の反射鏡を構成している。
【００３９】
この実施の形態２の場合においても、上記実施の形態１と同じ原理によって、波長１０４７ｎｍの基本波と波長１０５３ｎｍの基本波が同時に発生する。
波長変換素子２０の領域２１では、波長１０４７ｎｍの基本波の光電界の垂直方向成分が波長変換され、波長５２３．５ｎｍのＳＨＧ光が発生する。
波長変換素子２０の領域２２では、波長１０５３ｎｍの基本波の光電界の垂直方向成分が波長変換され、波長５２６．５ｎｍのＳＨＧ光が発生する。
波長１０４７ｎｍの基本波と波長１０５３ｎｍの基本波とは波数が異なるが、波長変換素子２０の領域２３内の和周波変換部分は、複屈折を持っているため、波長１０４７ｎｍの波数と波長１０５３ｎｍの波数が等しくなる条件、つまり位相整合をとれるような配置に置くことにより、波長５２５．０ｎｍのＳＦＧ光が発生する。
このとき、和周波への波長変換に寄与するのは、２つの基本波の光電界の垂直成分である。
これにより、３つの波長変換光（波長５２３．５ｎｍの光、波長５２６．５ｎｍの光、波長５２５．０ｎｍの光）が、波長変換素子２０の端面２０ｂを透過して外部に出力される。
【００４０】
ここで、ＳＦＧ光は、２つの基本波のそれぞれに対し、ＳＦＧ変換領域の分極反転の方向と一致する成分が変換に寄与する。よって、この実施の形態２のような構成にすれば、２つの基本波が共に図３の紙面に垂直な偏光方向を持つ成分を持つことになるため、高効率でのＳＦＧ変換が可能になる。
【００４１】
この実施の形態２では、波長変換素子２０における領域２１，２２，２３での分極反転の方向が、いずれも図３の紙面に垂直な方向であり、分極反転の周期を変えるのみで各々の波長変換機能を持たせることが可能である。したがって、３つの領域を１度のプロセスで作製可能であり、安価でかつ容易に作製することができる。
ただし、これは２つの波長変換素子部分と、和周波変換素子部分を全て同じ材料で作らなければならないということ意味しているわけではない。
また、３つの光学素子部分の並び順を変えても、それぞれ対応する基本波に対して波長変換された光を発生するため、図３の構成の例に限定されるものではないことは明らかである。
なお、上記実施の形態１，２では、固体レーザ素子３の光学軸を傾けている例を示したが，波長変換素子の光学軸を傾けるようにしても、同様の機能を実現することが可能であることは明らかである。
【００４２】
実施の形態３．
この実施の形態３では、固体レーザ素子３及び波長変換素子２０が導波路構造を有しているレーザ装置について説明する。
図５はこの発明の実施の形態３によるレーザ装置の構成を示す上面図であり、図５において、図１及び図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
この実施の形態３では、上記実施の形態２のレーザ装置が導波路構造を有しているものについて説明するが、上記実施の形態１のレーザ装置が導波路構造を有していてもよい。
【００４３】
この実施の形態３の固体レーザ素子３は、導波路型の構造を有しており、光が伝搬する導波路３１の材料としてＮｄ：ＹＬＦを用いている。
導波路３１の下面及び上面には、クラッド層として、導波路３１よりも屈折率が小さいＳｉＯ２膜３２，３３が形成されている。
導波路厚は、例えば、１００μｍであり、２つのクラッド層厚は、例えば、１μｍとなっている。また、固体レーザ素子３には、導波路３１及びＳｉＯ２膜３２，３３を保持するための基板３４が接着されており、この基板３４の材料は、導波路３１と熱線膨張係数が近いガラス材料などが用いられる。また、基板３４の厚さは、ハンドリングが容易となるように１ｍｍ前後としている。
【００４４】
導波路型の固体レーザ素子３の前方には、同じく導波路構造を持った導波路型の波長変換素子２０が配置されている。
この波長変換素子２０の導波路４１，４２，４３の材料として、分極反転が形成されたＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３を用いている。
即ち、波長変換素子２０は、上記実施の形態２と同様に、波長１０４７ｎｍの光からＳＨＧ光を発生させるような周期の分極反転が形成されている領域２１と、波長１０５３ｎｍの光からＳＨＧ光を発生させるような周期の分極反転が形成されている領域２２と、波長１０４７ｎｍと波長１０５３ｎｍのＳＦＧ光を発生させるような分極反転が形成されている領域２３とが一体的に形成されている。
【００４５】
全ての領域２１，２２，２３の分極反転の方向は、図５の紙面に水平な方向で、導波路４１，４２，４３の薄板方向である。
導波路４１，４２，４３の下面及び上面には、クラッド層として、導波路４１，４２，４３よりも屈折率が小さいＳｉＯ２膜４４，４５が形成されている。
導波路厚は、例えば、１００μｍであり、２つのクラッド層厚は、例えば、１μｍとなっている。また、波長変換素子２０には、導波路４１，４２，４３及びＳｉＯ２膜４４，４５を保持するための基板４６が接着されており、この基板４６の材料は、導波路４１，４２，４３と熱線膨張係数が近いガラス材料などが用いられる。また、基板４６の厚さは、ハンドリングが容易となるように１ｍｍ前後としている。
【００４６】
この実施の形態３の場合も、上記実施の形態２と同様に、３つの波長変換光（波長５２３．５ｎｍの光、波長５２６．５ｎｍの光、波長５２５．０ｎｍの光）が、波長変換素子２０の端面２０ｂを透過して外部に出力される。
【００４７】
固体レーザ素子３及び波長変換素子２０の形状がバルク状の場合、素子の内部を進行する光の電界の垂直方向成分と水平方向成分は相関を持ち、波長変換時には、そのうちの垂直成分のみが変換に寄与して損失を受けるため、波長変換素子２０の端面２０ｂで反射して固体レーザ素子３に戻ってくる偏波状態は、波長変換効率に依存することになり、発振状態が不安定になるという問題が知られている。
固体レーザ素子３及び波長変換素子２０の形状を導波路型にすると、素子の内部を進行する光のモードは、ＴＥモードとＴＭモードの２つに分離されるため、波長変換時には、ＴＭモードのみが変換に寄与して損失を受けることになる。このとき、ＴＥモードは、波長変換による損失を受けずに共振器内を周回するため、基本波を安定して発振させる上で非常に重要な役割を担っている。このような原理から、固体レーザ素子３の形状を導波路型にすると、基本波の発振が安定するというバルク型では得られない利点が得られる。
【００４８】
上記実施の形態１〜３では、ＳＨＧ変換を行う基本波を発生するレーザ媒質が固体レーザ素子３である例を示したが、固体レーザ素子３の代わりに、複数の利得波長をもつ利得媒体（例えば、気体レーザ、色素レーザ、半導体レーザなど）を用いても、同様の機能を実現することが可能である。
また、波長変換素子の代わりに、光強度が大きいほど、光損失が増大するような素子を用いれば、同様の複数波長の発振が可能になる。
【００４９】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１  半導体レーザ、２  レンズ、３  固体レーザ素子、３ａ  固体レーザ素子３の一方の端面、３ｂ  固体レーザ素子３の他方の端面、４  波長変換素子（第１の光学素子）、４ａ  波長変換素子４の一方の端面、４ｂ  波長変換素子４の他方の端面、５  波長変換素子（第２の光学素子）、５ａ  波長変換素子５の一方の端面、５ｂ  波長変換素子５の他方の端面、６  反射鏡（第１の反射鏡）、７，８  反射鏡、９，１０  光透過部品、１１  反射鏡（第２の反射鏡）、２０  波長変換素子、２０ａ  波長変換素子２０の一方の端面、２０ｂ  波長変換素子２０の他方の端面、２１  領域（第１の光学素子）、２２  領域（第２の光学素子）、２３  領域（第３の光学素子）、２４  反射鏡（第１の反射鏡）、２５  反射鏡（第２の反射鏡）、３１  導波路、３２，３３  ＳｉＯ２膜、３４  基板、４１，４２，４３  導波路、４４，４５  ＳｉＯ２膜、４６  基板、１０１  半導体レーザ、１０２  レンズ、１０３，１０４  固体レーザ素子、１０５  波長変換素子。
【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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