(57)【要約】  レーザ光源（１００）は、半導体レーザ（１０１）と、半導体レーザ（１０１）からの励起光を波長の異なる波長変換光に変換する非線形光学結晶からなる波長変換素子（１０４）と、波長変換素子（１０４）から出射する波長変換光の一部を出力光として計測するフォトダイオード（１０９）と、波長変換素子（１０４）から出射される励起光を計測するフォトダイオード（１１０）と、制御回路（１０３）とを備え、制御回路（１０３）は、電流駆動回路（１０２）を用いて波長変換光の強度を一定にする出力一定制御と、ヒーター（１０５）を用いて波長変換素子（１０４）の温度を調整する温度制御とを同時に行う。
2009081577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光光源と、
前記励起光光源からの励起光が通過する複数の光路を有し、前記複数の光路を通過する励起光を波長変換光に変換することにより、第１の温度特性を有し且つ装置外部へ出射される出力光と、前記第１の温度特性と異なる第２の温度特性を有する参照光とを生成する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、
前記参照光を計測する参照光計測部と、
前記参照光計測部により計測された参照光を基に前記波長変換素子の温度を制御する制御部とを備えることを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記出力光は、第１の素子温度で最大値となる第１の温度特性を有し、前記参照光は、前記第１の素子温度と異なる第２の素子温度で最大値となる第２の温度特性を有し、
前記参照光の強度は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度で、前記参照光の最大値の１５％以上８５％以下となることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記制御部は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における前記参照光の強度を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光の強度が記憶している参照光の強度になるように、前記波長変換素子の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記制御部は、前記参照光計測部により計測された参照光から前記波長変換素子の規格化波長変換効率を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における規格化波長変換効率を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光から算出した規格化波長変換効率が記憶している規格化波長変換効率になるように、前記波長変換素子の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記参照光計測部は、
前記第１の素子温度より低温で最大値となる低温側シフト温度特性を有する第１の参照光を計測する第１の参照光計測部と、
前記第１の素子温度より高温で最大値となる高温側シフト温度特性を有する第２の参照光を計測する第２の参照光計測部とを含み、
前記制御部は、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光の出力比を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における第１及び第２の参照光の出力比を予め記憶し、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光から算出した出力比が記憶している出力比になるように、前記波長変換素子の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記出力光の一部を計測する出力光計測部をさらに備え、
前記制御部は、前記出力計測部により計測された出力光を基に、装置外部へ出力される前記出力光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記波長変換素子から出射される励起光を計測する励起光計測部をさらに備えることを特徴とする請求項６記載のレーザ光源。
【請求項８】
前記波長変換素子は、バルク型波長変換素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項９】
前記波長変換素子は、スラブ導波路型波長変換素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１０】
前記波長変換素子は、擬似位相整合波長変換素子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１１】
前記波長変換素子の前記参照光を生成する励起光の光路における分極反転周期は、前記出力光を生成する励起光の光路における分極反転周期と異なることを特徴とする請求項１０記載のレーザ光源。
【請求項１２】
励起光光源と、
前記励起光光源からの励起光を波長の異なる波長変換光に変換する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、
前記波長変換素子から出射する波長変換光の一部を出力光として計測する出力光計測部と、
前記出力計測部により計測された出力光を基に前記波長変換光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御する出力一定制御と、前記波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように前記波長変換素子の温度を調整する温度制御とを同時に行う制御部とを備えることを特徴とするレーザ光源。
【請求項１３】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１４】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子の規格化波長変換効率が最大となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１５】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子から出射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１６】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記励起光光源の入力電力が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１７】
前記制御部は、前記波長変換素子の温度が位相整合温度であるときに、所望の波長変換光が得られる、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうち制御に使用する値を予め記憶することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１８】
前記制御部は、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうちのいずれかが、予め設定した閾値条件を満たす場合に、前記温度制御から、前記波長変換素子の温度を一定に制御する温度一定制御に切り替えることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１９】
前記制御部は、前記励起光光源への入力電力に上限を持たせて制御することを特徴とする請求項１２〜１８のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項２０】
前記波長変換素子は、分極反転周期構造を形成した非線形光学結晶であり、前記波長変換素子の位相整合温度は、環境温度より高温であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項２１】
前記レーザ光源より出射するレーザ光のＭ２は、１．４以下であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項２２】
複数のレーザ光源と、
空間変調素子と、
前記レーザ光源から出射する光を前記空間変調素子に導く光学系とを備え、
前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、
前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、請求項１〜２１のいずれかに記載されたレーザ光源であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２３】
複数のレーザ光源と、
走査部と、
前記複数のレーザ光源から出射する光を前記走査部に導く光学系とを備え、
前記走査部は、前記光学系により導かれた複数のレーザ光源からの光を走査し、
前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、
前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、請求項１〜２１のいずれかに記載されたレーザ光源であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２４】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射するレーザ光を加工対象に導く光学系とを備え、
前記レーザ光源は、請求項１〜２１のいずれかに記載されたレーザ光源であることを特徴とする加工装置。
【請求項２５】
前記レーザ光源から生成するレーザ光の波長は、４４１ｎｍ以上５９２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２４記載の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学効果を利用して波長変換を行う波長変換素子を含むレーザ光源と、その制御方法とに関し、また、このレーザ光源を用いた画像表示装置及び加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、通信用や光学記録用ばかりでなく、計測用、医療用、加工用、ディスプレイ用など様々な分野で用いられている。これらの用途には、制御の容易性や小型であるという特徴から、半導体レーザが主な光源として用いられている。【０００３】
上記光源の中で、０．５μｍから０．６μｍの可視領域の波長の光を安定して発生させる半導体レーザは、実現していない。また、２μｍ以上の中赤外領域の波長の光を発生させる半導体レーザは、−１００℃から−２００℃に冷却する必要があり、室温での連続発振が困難である。【０００４】
そこで、可視領域や中赤外領域の波長の光を発生させる為に、半導体レーザや、半導体レーザで励起したファイバレーザなどから出射される光を励起光として用い、非線形光学結晶からなる波長変換素子により励起光を波長変換する波長変換技術が広く用いられている。励起光が波長変換素子内を伝搬することで、励起光のエネルギーは、波長変換光のエネルギーに変換されていく。励起光と波長変換素子との相互作用長を大きくすると、波長変換光への変換量が増大する。【０００５】
しかし、非線形光学結晶を用いた波長変換において、励起光の波長と波長変換光の波長とが異なるので、励起光及び波長変換光に対する屈折率は、大きく異なる。例えば、代表的な非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を波長変換素子として用い、波長１０６４ｎｍの励起光を入射し、ディスプレイ用光源として利用される緑色レーザ光（波長５３２ｎｍの波長変換光）を得る場合、励起光及び波長変換光の屈折率は、例えば、４０℃のときに２．１５６００及び２．２３３８９となる。この励起光と波長変換光との屈折率の差に伴い、波長変換素子内で励起光と波長変換光との位相が次第にずれるため、効率よく波長変換が行なえない。【０００６】
このため、従来から、励起光と波長変換光との屈折率の差を修正する方法として、周期的な分極反転周期構造を形成した非線形光学結晶を波長変換素子に用いる擬似位相整合や、励起光と異なる偏光の波長変換光を生成する複屈折位相整合がある。これらの方法を用いることで、ある温度において、励起光と波長変換光との位相を一致させる、又は、擬似的に一定にさせることが可能となる。【０００７】
しかし、４０℃のときに２．１５６００及び２．２３３８９であった励起光及び波長変換光の屈折率も、例えば、５０℃のときに２．１５６４２及び２．２３４４７と変化する。このため、いずれの場合においても、素子温度が安定しないと、安定して波長変換が行なえない。つまり、素子温度を最適に調節しながら、波長変換を行なう必要がある。以後、波長変換効率が最大となる最適素子温度を位相整合温度と呼ぶ。【０００８】
従来から広く用いられてきた波長変換素子の温度調節方法としては、波長変換素子の温度を一定値に制御する方法（温度一定制御）、出力値を励起光光源への入力電力にフィードバックする方法（出力一定制御）などが提案されている。この温度一定制御を用いた場合にも、下記のような原因により素子温度が次第に位相整合温度とずれる。【０００９】
（１）励起光光源となる半導体レーザやファイバレーザの温度が変動し、出力する励起光の波長が変動することで、位相整合温度が変化する。【００１０】
（２）波長変換素子の固定に伴う応力変化の影響で屈折率が変化し、位相整合温度が変化する。【００１１】
（３）波長変換素子の温度を測定する温度センサの特性が変化し、温度センサでモニターする素子温度と実際の素子温度が乖離し、素子温度が変化する。【００１２】
素子温度と位相整合温度とのずれが増大するにつれて、波長変換効率が低下するため、励起光の出力を増大させることで波長変換光の出力を一定に保つ出力一定制御が用いられる。しかし、この場合、消費電力の増大は避けられない。また、励起光の出力に限界があるため、許容可能な温度のずれ幅も限られる。また、励起光に半導体レーザを用いている場合は、投入電力の増加に伴い光源の寿命も短縮される。更に、素子温度と位相整合温度とがずれた状態で、出力される波長変換光は、ビーム品質が低いため、高品質なレーザを必要とする加工用や医療用への応用が難しい。このため、特許文献１では、温度一定制御及び出力一定制御に加えて、定期的に素子温度と位相整合温度の差を解消する制御を併用している。【００１３】
しかしながら、特許文献１の従来の技術では、素子温度と位相整合温度とのずれを解消するため、一時的に出力一定制御を中断し、素子温度を増減させながら出力の変動を検出し、最適出力となる素子温度に近づける制御を行うため、その間は出力が変動する。【００１４】
また、プロジェクションディスプレイや液晶ディスプレイのバックライト等の民生機器の内部に波長変換素子を配置する場合、筐体内の温度が徐々に上昇するため、頻繁に素子温度と位相整合温度とのずれが発生し、その度、出力が不安定となる。これにより、ディスプレイのホワイトバランスが崩れるため、ディスプレイ用としては特に、レーザ光源の出力安定性が求められている。
【特許文献１】特開２００７-２３３０３９号公報
【発明の開示】
【００１５】
本発明の目的は、従来の温度一定制御中に発生していた出力変動を大幅に軽減することにより、出力を安定化することができるレーザ光源を提供することである。
【００１６】
本発明の一局面に従うレーザ光源は、励起光光源と、前記励起光光源からの励起光が通過する複数の光路を有し、前記複数の光路を通過する励起光を波長変換光に変換することにより、第１の温度特性を有し且つ装置外部へ出射される出力光と、前記第１の温度特性と異なる第２の温度特性を有する参照光とを生成する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、前記参照光を計測する参照光計測部と、前記参照光計測部により計測された参照光を基に、前記出力光の強度が最大となるように、前記波長変換素子の温度を制御する制御部とを備える。
【００１７】
このレーザ光源においては、波長変換素子内に励起光が通過する複数の光路が形成され、レーザ光源の外部へ出力される波長変換光となる出力光と異なる温度特性を示す参照光をモニターして波長変換素子を温度制御しているので、高速な温度制御が可能となる。この結果、従来の温度一定制御中に発生していた出力変動を大幅に軽減することができ、出力を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図２】波長変換素子温度と波長変換光出力との関係を示す図である。
【図３】出力一定制御中の波長変換素子温度と励起光出力との関係を示す図である。
【図４】出力一定制御中のヒーター加熱電流と励起光入力との第１の関係を示す図である。
【図５】出力一定制御中のヒーター加熱電流と励起光入力との第２の関係を示す図である。
【図６】出力一定制御中のヒーター加熱電流と励起光入力との第３の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図８】波長変換素子温度と出力光及び参照光の出力との関係を示す図である。
【図９】擬似位相整合波長変換素子内における分極反転周期方向と励起光の光路とが成す角度と位相整合温度との関係を示す図である。
【図１０】波長変換素子温度と出力光及び参照光の出力との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。
【図１２】分極反転周期構造が形成されていない部分がある場合の波長変換素子温度と出力光及び参照光の出力との関係を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態３に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図１７】波長変換素子温度と出力光、第１及び第２の参照光の出力との関係を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。
【図１９】本発明の実施の形態５に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図２０】本発明の実施の形態６に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図２１】波長変換素子温度と出力光及び２つの参照光の出力との関係を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態７に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。
【図２３】本発明の実施の形態８に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。
【図２４】本発明の実施の形態９に係る加工装置の構成の一例について示す概略構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係るレーザ光源について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において同じ符号を付したものは、説明を省略する場合もある。【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１を用いて、本発明の実施の形態１に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。【００２１】
図１に示すレーザ光源１００は、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、波長変換素子１０４、ヒーター１０５、光分離ミラー１０６、光分離ミラー１０７、波長選択フィルター１０８、フォトダイオード１０９、フォトダイオード１１０、及び波長選択フィルター１１１を備える。【００２２】
半導体レーザ１０１は、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を出力する。出力された励起光は、波長変換素子１０４に入射し、その一部は、波長変換光に変換される。波長変換素子１０４から出射したレーザ光は、光分離ミラー１０６に入射し、光分離ミラー１０６は、波長変換されずに透過した励起光と、波長変換光とを分離する。図１では、光分離ミラー１０６として、４５°入射で、波長変換光の透過率９８〜９９％、励起光の反射率９９％以上のハーモニックセパレーターを用いた。光分離ミラー１０６で反射した９９％以上の励起光と１〜２％の波長変換光とが、光分離ミラー１０７に入射する。【００２３】
光分離ミラー１０７として、４５°入射で、光分離ミラー１０６と同様の透過率を有するハーモニックセパレーターを用いた。光分離ミラー１０７を透過した励起光と波長変換光とは、励起光を吸収する波長選択フィルター１０８に入射し、透過した波長変換光のみがフォトダイオード１０９に入射する。また、光分離ミラー１０７で反射した励起光と波長変換光とは、波長変換光を吸収する波長選択フィルター１１１に入射し、透過した励起光のみがフォトダイオード１１０に入射する。【００２４】
制御回路１０３は、フォトダイオード１１０に入射した励起光のパワーと、フォトダイオード１０９に入射した波長変換光のパワーと、上記各ミラーの透過率及び反射率等から、波長変換素子１０４から出射する励起光の強度（励起光出力）及び波長変換光の強度（波長変換光出力）を算出する。これらを足し合わせることで、波長変換素子１０４に入射する励起光の強度（励起光入力）を求めることが可能となる。本実施の形態では、波長変換素子１０４から出射した励起光及び波長変換光から励起光入力を求めているので、波長変換素子１０４に入射する励起光を損失することなく、励起光入力をモニターすることが可能となり、変換効率の低下を防止することができる。【００２５】
ただし、波長変換素子１０４に入射する励起光の強度の計測方法としては、上記の例に特に限定されず、励起光光源となる半導体レーザ１０１と波長変換素子１０４との間に、励起光を１％程度反射するミラーを挿入し、反射する励起光をモニターしてもよい。この方法では、波長変換素子１０４内において励起光及び波長変換光の吸収がある場合に、波長変換素子を透過する励起光と波長変換光との合計から励起光入力を求める方法より、正確に励起光入力をモニターすることが可能となる。【００２６】
本実施の形態では、制御回路１０３は、上記のようにして求めた励起光入力の値を基に、素子温度と位相整合温度のずれを解消するように、電流駆動回路１０２の電流及びヒーター１０５の加熱電力を制御する。ヒーター１０５は、制御回路１０３により制御され、波長変換素子１０４の温度を調節する。また、電流駆動回路１０２は、制御回路１０３により制御され、半導体レーザ１０１への電流を調整する。【００２７】
以下に、レーザ光源１００の立ち上がり動作を含めて、その制御方法を示す。まず、立ち上がり動作について示す。【００２８】
波長変換素子１０４の位相整合温度は、環境温度より高温であることが好ましく、本実施の形態では、例えば、環境温度を０〜４０℃とした場合、波長変換素子１０４の位相整合温度を、６０℃とする。これにより、常温０〜４０℃の環境下では、波長変換素子１０４の冷却機能を必要とせず、安価なヒーター１０５を波長変換素子１０４の加熱及び冷却部材として用いることが可能となる。【００２９】
立ち上がり動作では、まず、ヒーター１０５は、波長変換素子１０４を加熱する。また、同時に、制御回路１０３は、半導体レーザ１０１の駆動電流（以降、励起光電流（Ｉ）とする）が最大となるように電流駆動回路１０２を制御する。ここで、励起光電流の最大値（以降、ＩＭＡＸとする）は、所望の波長変換光出力を達成するために通常動作時（素子温度が位相整合温度となったとき）に供給する電流量（以降、Ｉ０とする）より大きく、且つ、半導体レーザ１０１を劣化させず、寿命を短縮させない程度に制限しておくことが望ましい。【００３０】
例えば、位相整合温度が６０℃、温度の半値全幅が約１．３℃の波長変換素子の場合、励起光電流量（励起光入力）を一定とすると、素子温度に対する波長変換光出力は、図２に示すように、６０℃で最大となり、素子温度が高温側又は低温側にずれるほど、低下する。また、温度が一定の場合、波長変換光出力は、励起光入力のおよそ２乗に比例し、励起光入力は、励起光電流量にほぼ比例する。【００３１】
立ち上がり動作時は、上記のように、励起光入力がＩ０より大きい。このため、位相整合温度に達する前に、所望の波長変換光出力に達する。制御回路１０３は、フォトダイオード１０９でモニターする波長変換光出力が所望の値に達したところで、立ち上がり動作を終了し、通常動作に移行する。【００３２】
次に、通常動作について示す。本実施の形態では、通常動作時に、波長変換光出力を一定に保つ出力一定制御と、素子温度を位相整合温度に合わせる温度制御（波長変換素子１０４へ入射する励起光の強度が最小となるように波長変換素子１０４の温度を調整する温度制御）を同時に行なうことを特徴とする。【００３３】
出力一定制御では、制御回路１０３は、フォトダイオード１０９でモニターする波長変換光出力が一定となるように、電流駆動回路１０２を制御する。すなわち、制御回路１０３は、波長変換光出力が所望の値より低い場合は、励起光電流を増加させて波長変換光出力を所望の値に増加させ、また、波長変換光出力が所望の値より高いとき、励起光電流を減少させて波長変換光出力を所望の値に低下させる。【００３４】
このように、波長変換光出力が一定となるように励起光電流を増減させた場合、励起光入力は、図３に示すように変化する。本実施の形態では、このように、出力一定制御時に励起光入力と素子温度との関係を利用した温度制御を行なうことで、出力一定制御を停止させることなく、温度制御を同時に行なうことが可能となる。【００３５】
次に、本実施の形態では、以下で、出力一定制御時に励起光入力を基に行なう温度制御の方法について示す。また、ここで、励起光入力は、光分離ミラー１０６等の透過率及び反射率等を考慮して、フォトダイオード１０９、１１０の値を基に算出する。【００３６】
本制御では、制御回路１０３は、ヒーター１０５の加熱電流を増加させて、素子温度上昇に伴う励起光入力の増減を基に、ヒーター１０５の加熱電流の増減を判断する。例えば、ヒーター１０５の加熱電流を所定変化量ΔＩＨずつ増加させながら、励起光入力をモニターし、直近３回の励起光入力を記憶させた場合、励起光入力の変化状態は、図４〜図６に示す３つの状態に分類することができる。【００３７】
図４に示すように、直近３回の励起光入力が単調増加する場合、素子温度が位相整合温度より高温であることが分かる。また、図５に示すように、直近３回の励起光入力が減少の後に増加する場合、素子温度は、位相整合温度付近にあり、位相整合温度より高温であることが分かる。これらの場合、制御回路１０３は、素子温度を低下させるため、加熱電流を減少させる。一方、図６に示すように、直近３回の励起光入力が単調減少する場合は、素子温度が位相整合温度より低温であることが分かる。この場合、制御回路１０３は、素子温度を上昇させるため、加熱電流を増加させる。【００３８】
ここで、ΔＩＨが大きすぎると、素子温度の変動の幅が増加する。また、ＩＭＡＸ次第で出力一定制御を行なえる温度幅が決まることは言うまでも無く、素子温度の変動幅は、この幅の半分以下にする必要がある。ＩＭＡＸを、Ｉ０の１．５倍とする場合、素子温度を半値全幅上昇させる加熱電流増加量を求め、少なくともΔＩＨをその２分の１以下にすることが必要となり、１０分の１以下にすることが望ましい。これにより、制御時の素子温度のハンチングの幅を軽減し、波長変換効率の平均値を向上させることが可能となる。【００３９】
また、ヒーター１０５の加熱電流をΔＩＨ増加させた後、素子温度が一定になるまでの時間を制御回路１０３に予め記憶させておき、記憶させた時間ごとに加熱電流量をモニターすることで、制御時の素子温度のハンチングを軽減し、制御速度を速めることが可能となり、平均変換効率を増加させることが可能となる。【００４０】
また、サーミスタ等を用いて波長変換素子１０４の温度を直接モニターしてもよい。素子温度の変化量ΔＴをΔＩＨの代わりに用いて温度制御することで、より正確な温度制御が可能となるため望ましい。【００４１】
また、素子温度と位相整合温度とが一致するときに、必要となる励起光入力をＰ０として制御回路１０３に予め記憶させておき、励起光入力がＰ０に近い場合は、素子温度と位相整合温度とを一致させるための温度制御を一旦停止し、ヒーター１０５の加熱電流量を一定にして温度一定制御を行なってもよい。ただし、励起光入力が増加した場合は、温度一定制御から、素子温度を位相整合温度に合わせる温度制御に再び切り替えることが必要となる。また、温度一定制御に切り替える場合も、出力一定制御は並行して行なう。この方法を用いることで、温度一定制御中は、温度一定制御に必要となる制御回路１０３の負荷を軽減することが可能となる。なお、波長変換素子１０４の劣化等が発生すると、Ｐ０は増加するため、制御回路１０３に記憶させるＰ０は、定期的に更新されることが望ましい。【００４２】
また、所定の閾値を予め決めて、励起光入力がそれ以下の場合は、温度一定制御を行なうとき、閾値をＰ０に近づけることで、温度一定制御中の平均変換効率は更に増加する。しかし、閾値をＰ０に近づけるほど、温度一定制御が行なえる温度の幅が狭くなる。例えば、図３の例では、Ｐ０の１．１倍を閾値とするとき、素子温度が位相整合温度±０．４℃の範囲にあるとき、温度一定制御を行なうことが可能となる。また、閾値がＰ０の１．３倍の場合は、素子温度が位相整合温度±０．５℃の範囲にあるとき、温度一定制御を行なうことが可能となる。なお、使用環境の温度変化の激しさや、使用する励起光光源の種類などによって、使用中の素子温度と位相整合温度との差が変化する程度が異なるため、それに合わせた閾値を設定することが望ましい。【００４３】
また、本実施の形態では、波長変換光出力を一定とする出力一定制御を用いているため、波長変換素子１０４に入射する励起光入力の増減は、フォトダイオード１１０に入射する励起光出力の増減と一致する。このため、フォトダイオード１１０の値と素子温度との関係も、図３と同様の関係となる。また、励起光光源として半導体レーザを使用する場合、励起光電流量は励起光出力にほぼ比例するため、励起光電流量と素子温度の関係も同様となる。【００４４】
つまり、出力一定制御時のフォトダイオード１１０に入射する励起光出力や、励起光電流量（励起光光源である半導体レーザ１０１への入力電力）の増減を、励起光入力の代わりに用いて、素子温度を位相整合温度に調節する温度制御を行うことも可能であり、既に示した励起光入力を用いた温度制御と同様の効果を発揮する。また、励起光電流量の増減をモニターして制御を行う場合、フォトダイオードの使用個数を軽減することが可能となり、より安価なレーザ光源を実現することができる。【００４５】
また、波長変換光出力を励起光入力の２乗で割った値を規格化波長変換効率とすると、規格化波長変換効率は、図２で示した波長変換光出力と同様に、素子温度が位相整合温度に近いほど増加する。また、規格化波長変換効率の増減は、励起光入力、励起光電流量、励起光出力の増減とは逆になるが、励起光入力の増減の影響を受けず、素子温度のみに依存する。このため、前述の励起光入力、励起光電流量、励起光出力と同様に、出力一定制御時に、規格化波長変換効率が最大となるように素子温度を調節する制御を並行して実行することも可能である。この方法についても、既に示した励起光入力を用いた温度制御と同様の効果を発揮する。【００４６】
また、波長変換素子１０４として、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いることが望ましく、この場合、高効率波長変換が可能となる。また、本実施の形態では、位相整合温度が６０℃となる波長変換素子を例として説明したが、擬似位相整合波長変換素子の場合は、形成する分極周期反転構造の周期を調節することで、任意の位相整合温度で波長変換することが可能となる。【００４７】
また、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを用いた波長変換素子は、温度変化に対する出力変動量が大きく、励起光や波長変換光を吸収することにより発生する温度変化が原因となって出力変動が発生しやすいが、本実施の形態の制御を用いることで、安定した出力が得られる。【００４８】
また、位相整合温度を５０℃以上とし、環境温度より高く設定することにより、波長変換素子の入出射面において発生する結露によるレーザの散乱を防ぎ、更に、素子の温度調節部材として、安価なヒーターを使用することが可能となる。【００４９】
また、ペルチエ素子のように素子温度を低下させる機能を持った温度調節部材を温度制御に使用することが可能であることは言うまでもない。ペルチエ素子を使用することで、素子温度を低下させる速度が増加する。また、環境温度が位相整合温度を超えた場合にも制御が可能となる。【００５０】
また、本実施の形態では、励起光光源として半導体レーザ１０１を用いたが、ファイバレーザや固体レーザを励起光光源として用いてもよい。これらを励起光光源として用いることにより、ピーク出力が高く、Ｍ２（Ｍ  ｓｑｕａｒｅ）が１．４以下のビーム品質に優れたレーザ光を得ることが可能となり、レーザ加工用途に適したレーザ光源を実現することができる。【００５１】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図７を用いて、本実施の形態２に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。【００５２】
図７に示すレーザ光源１００ａは、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、ヒーター１０５、擬似位相整合波長変換素子７０１、光分離コート７０２、光分離ミラー７０３、フォトダイオード７０４、反射防止コート７０５、及びビームストッパー７０６を備える。【００５３】
半導体レーザ１０１は、実施の形態１と同様、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を生成する。本実施の形態では、励起光が擬似位相整合波長変換素子（以下、適宜「波長変換素子」と略す）７０１に入射する。このとき、波長変換素子７０１の分極方向（図の紙面と直交する方向）と、励起光の偏光方向とは、一致しており、励起光は、分極反転周期に対して平行にすなわち分極反転周期方向（図の左右方向）に沿って入射し、その一部は、波長変換光に変換される。【００５４】
ここで、波長変換素子７０１の出射端には、光分離コート７０２が設けられている。光分離コート７０２は、励起光を９０％以上反射し、波長変換光を９９．８％以上透過する。また、出射端への励起光の入射角をθ/２°とすることで、図７に示すように、光分離コート７０２で反射する励起光は、波長変換素子７０１内において、分極反転周期に対してθ°の傾きを持って伝搬し、その一部は波長変換光に変換される。以降、最初に入射した励起光の伝搬光路を往路、出射端にて反射した励起光の伝搬光路を復路と呼ぶ。【００５５】
復路の励起光と、復路の励起光から発生した波長変換光とは、（往路にとっての）入射端から出射する。波長変換素子７０１の入射端を透過する復路の励起光及び波長変換光は、光分離ミラー７０３に入射する。ここで、光分離ミラー７０３は、励起光を反射し、波長変換光を透過する。光分離ミラー７０３を透過する波長変換光は、フォトダイオード７０４に入射し、制御回路１０３は、その出力をモニターする。光分離ミラー７０３にて反射する励起光は、ビームストッパー７０６に入射して停止する。【００５６】
本実施の形態では、往路で発生する波長変換光が出力光としてレーザ光源１００ａの外部に出射し、このとき、復路で発生する波長変換光を参照光として、制御回路１０３がヒーター１０５を用いて波長変換素子７０１の温度調節を行うことで、出力光の強度を一定に制御することが可能となる。以下に、その方法を示す。【００５７】
図８は、出力光と参照光とについてそれぞれの温度特性を示す図である。図８の縦軸は、出力光及び参照光の位相整合温度時の出力を１として規格化した出力光及び参照光の強度であり、横軸は、波長変換素子７０１の温度である。図８中の実線が出力光の温度特性８０１を示し、破線が参照光の温度特性８０２を示しており、参照光の温度特性８０２は、出力光の温度特性８０１より低温側へシフトしており、参照光の位相整合温度は、出力光の位相整合温度より低いことが分かる。【００５８】
擬似位相整合波長変換素子では、光路と分極反転周期方向とがなす角度の絶対値が増加すると、波長変換光の出力が最大となる位相整合温度は低下する。例えば、ニオブ酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いて、波長１０６４ｎｍの励起光からその第２高調波となる波長５３２ｎｍの光に波長変換する場合、図９に示すように、光路と分極反転周期方向とがなす角度θの絶対値が増加すると、波長変換光の出力が最大となる位相整合温度は低下する。本実施の形態では、往路と分極反転周期方向とがなす角度を０°としているため、復路と分極反転周期方向とがなす角度θ＝±１°となるとき、図８のように往路と復路との位相整合温度の差が約０．７℃となる。【００５９】
このように、本実施の形態では、出力光と位相整合温度が異なる参照光を発生させ、参照光の強度の変動から温度調節を行うことで、出力光の強度の変動から温度調節を行っていた従来に比べて、高速で安定した制御が行える。以下に、従来型の温度調節方法と比較し、本実施の形態の特徴を示す。【００６０】
まず、特許文献１に示すように、参照光を備えない従来の波長変換素子の温度調節では、出力光の強度を計測し、出力光の温度特性８０１を基に波長変換素子の温度調節を行う。つまり、待機位置８０３にて温度一定制御を行い、素子温度と位相整合温度とのずれが拡大した場合、位相整合温度と素子温度とのずれを解消する温度調節を行なう。【００６１】
このような従来の温度調節方法では、待機位置８０３から波長変換効率が低下した場合、素子温度が位相整合温度に比べて、高温であるか低温であるかの判断ができない。そのため、一旦素子を加熱又は冷却し、それに応じた波長変換光の出力変動から、素子を加熱すべきか、冷却すべきかを判断する。この方法では、素子温度と位相整合温度とのずれを解消するために必要となる時間が長く、安定した出力が得られない。【００６２】
このため、待機位置８０４のように、予め位相整合温度より高温側に素子温度を維持する制御方法もある。この方法では、波長変換光の出力が増加（又は減少）した場合、素子温度が低下（又は上昇）していることがわかり、即座に加熱（又は冷却）の判断が可能となる。位相整合温度より低温側を待機位置とした場合も、同様の制御が可能となる。【００６３】
この方法では、高速な温度調節が可能となり、波長変換光の出力が安定するが、波長変換素子の変換効率を最大限発揮することができない。また、位相整合温度からずれた温度での波長変換では、生成されるビームの品質が低下する。【００６４】
これらの方法に対して、本実施の形態の温度調節方法では、出力光と異なる位相整合温度で波長変換する参照光の温度特性８０２（例えば、出力光の温度特性８０１より低温側にシフトした参照光の温度特性８０２）を基に波長変換素子１０４の温度を調節する。【００６５】
まず、本実施の形態では、制御回路１０３は、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの参照光の強度を予め記憶しておく。参照光が予め記憶された値となるように制御回路１０３を用いて温度調節を行うことで、待機位置は、参照光の温度特性８０２における待機位置８０５となる。この位置で待機し、参照光の出力（強度）をモニターすることで、参照光が増加（又は減少）した場合、素子温度が低下（又は上昇）していることがわかり、即座に加熱（又は冷却）の判断が可能となる。【００６６】
このように、本実施の形態では、参照光の出力を基に温度調節を行なうことで、高速な温度制御が可能となるとともに、高効率で安定した波長変換が可能となる。更に、出力光のビーム劣化も防ぐことが可能となる。【００６７】
また、本実施の形態では、往路での波長変換にて残った励起光を用いているため、出力光の変換効率を低下させることなく、参照光を得ることが可能である。また、往路での波長変換にて残った励起光を用いているので、往路と復路との励起光波長が一致し、出力光と参照光との位相整合温度の差が変化することを防ぐことが可能となっている。【００６８】
また、本実施の形態の制御を用いるレーザ光源において、励起光入力を可変とする場合、励起光入力に応じて出力光が位相整合温度となる時の参照光の出力が変わるため、励起光入力と最適参照光の出力との関係を予め記憶させておくことが望ましい。【００６９】
また、励起光入力が増減しても変動しない規格化波長変換効率を参照光出力の代わりに用いて、温度制御することが更に望ましい。ここで、実施の形態１で示したとおり、規格化波長変換効率は、参照光の出力を励起光出力の２乗で割った値となる。規格化波長変換効率を参照光出力の代わりに用いる場合、復路通過後の励起光をビームストッパー７０６の代わりにフォトダイオードに入射し、その出力をモニターすればよい。【００７０】
また、波長変換素子７０１として、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いることが望ましく、高効率波長変換が可能となる。本実施の形態では、復路と分極反転周期方向とがなす角度θ＝±１°としたが、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いる場合、復路と分極反転周期方向とがなす角度θは少なくとも、（復路の温度全半値幅）１／２×０．３２°以上、（復路の温度全半値幅）１／２×１．１５°以下であることが望ましい。これによって、復路を用いた温度制御による出力光の安定性が向上し、医療用途に適したレーザ光源を提供することが可能となる。また、更に出力の安定性が求められるディスプレイ用途としては、（復路の温度全半値幅）１／２×０．６５°以上であることが望ましい。また、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを用いた波長変換素子は、励起光や波長変換光を吸収することにより発生する温度変化が原因となり、出力変動が発生しやすいが、本実施の形態に用いることで、安定した出力が得られる。【００７１】
また、本実施の形態では、擬似位相整合波長変換素子を用いたが、複屈折位相整合の場合においても、励起光の偏向方向と結晶の光軸との角度を変えることで、位相整合温度が変わるため、出力光と異なる位相整合温度の参照光を得ることが可能となり、同様の温度調節が行なえるため、ＬＢＯやＫＴＰなど複屈折位相整合波長変換素子に用いる場合に特に望ましい。【００７２】
また、擬似位相整合波長変換素子は、その周期を部分的に調節することにより、位相整合温度を自由に調節することが可能であるため、次のような場合に望ましい。例えば、往路と復路との角度が小さいために、光分離ミラー７０３やフォトダイオード７０４の設置が難しい場合は、往路と復路との角度を５°程度と大きくしてもよいが、この場合、図９に示すように、復路の位相整合温度は約４０℃となる。【００７３】
図１０は、波長変換素子温度と、出力光及び角度の異なる２種類の参照光との関係を示す図である。図１０に示すように、往路と復路との角度を５°に設定した場合の参照光の温度特性１１０２は、出力光の温度特性８０１と重ならず、図８を用いて示したような温度制御ができない。こういった場合に、波長変換素子７０１として擬似位相整合波長変換素子を用いることにより、往路に対して復路部分の分極反転周期を変えることにより、参照光の温度特性１１０２を、出力光の温度特性８０１と重なる参照光の温度特性１１０３に変えることが容易であり、出力光と参照光との温度特性を図８と同様の関係にすることが可能となる。【００７４】
ただし、往路と復路との角度を５°程度と大きくした場合、図９からも分かるように、角度ずれによる位相整合温度のずれが大きくなる。このため、出力光と参照光との位相整合温度の差が変動しやすくなる。本実施の形態では、出力光の位相整合温度において、参照光の出力が最大出力の１５％以上８５％以下となることが望ましい（理由は後述する）。また、出力光と参照光の位相整合温度の差のばらつきを抑えるため、出射端への励起光の入射角θ／２°のバラツキを抑える必要がある。【００７５】
図１１は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。図１１に示すレーザ光源１００ｂでは、図７に示すレーザ光源１００ａの波長変換素子７０１が波長変換素子１２０１に変更されており、波長変換素子１２０１は、復路の光路の一部に分極反転周期構造が形成されていない部分ＮＰを有する。【００７６】
図１１に示すように、復路の光路の一部に分極反転周期構造が形成されていない部分ＮＰを備えた波長変換素子１２０１を用いる場合、図１２に示すように、参照光の温度特性１３０２は、温度依存性が低下し、緩やかな傾斜を有する山形となり、出力光の温度特性８０１に重なる。このように、参照光の温度特性１３０２の温度依存性を低下させて、出力光と参照光との位相整合温度の差の許容度を拡大することが望ましい。【００７７】
また、素子温度が出力光の位相整合温度となり、出力光の強度が最大となるとき、参照光の出力が参照光の最大出力の１５％以上８５％以下となることが望ましい。１５％以上８５％以下とすることにより、Ｓ／Ｎが十分高く、高精度の温度制御が可能となる。また、３０％以上６０％以下となることがより望ましい。これにより、温度変化に対する参照光の出力変動が十分大きくなるため、高速な温度制御が可能となり、出力変動が更に軽減される。【００７８】
また、出力光が参照光に混入する場合、混入した光が参照光のノイズとなるため、高精度の温度制御が行えない。そのため、本実施の形態における光分離コート７０２の波長変換光に対する反射率は、５％以下であることが好ましく、この場合、出力光が参照光に混入することを抑制することができる。また、出力光が参照光のノイズとして作用する効果を軽減してＳ／Ｎを高めるため、復路での変換効率を高めることが望ましい。【００７９】
また、本実施の形態では、波長変換素子７０１等内に２本の励起光の光路（往路及び復路）を形成するため、アライメントが容易なスラブ型導波路を形成している波長変換素子やバルク型（非導波路型）の波長変換素子を用いることが特に望ましい。特に、波長変換光の出力が１０Ｗ以下の場合は、スラブ型導波路を形成した波長変換素子を用いることで、復路の励起光の強度を確保しやすく、復路での励起光から波長変換光への高い変換効率が得られるため、参照光のＳ／Ｎを十分高くすることができる。【００８０】
また、ニオブ酸リチウム、又はタンタル酸リチウムからなる波長変換素子を用い、１２００ｎｍ以下の波長の励起光を入射し、６００ｎｍ以下の波長の波長変換光に変換する場合、波長変換光の出力が５００ｍＷを超えると、波長変換素子内の光吸収による発熱が往路と復路との間に温度差を発生させる。この温度差が、本実施の形態の制御にとって、ノイズとなるため、ビーム径を拡大することにより、光吸収とそれによる温度上昇との影響を軽減し易いバルク型の波長変換素子を用いることが望ましい。また、バルク型の波長変換素子は、波長変換素子内での伝搬ロスが少ない特徴も有する。【００８１】
図１３は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。バルク型の波長変換素子の場合、図１３に示すレーザ光源１００ｃを用いて、下記に示す方法を用いることで、復路の波長変換効率を高めて、参照光のＳ／Ｎを高めることが可能となる。【００８２】
図１３に示すレーザ光源１００ｃでは、擬似位相整合波長変換素子７０１は、励起光及び波長変換光を共に９９％以上透過する反射防止コート７０５、９０１をそれぞれ入射端及び出射端に備え、擬似位相整合波長変換素子７０１に励起光が入射する。出射端を透過する励起光及び波長変換光は、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー９０２に入射し、励起光のみが擬似位相整合波長変換素子７０１に再び入射する。再入射した励起光は、再び波長変換光を生成し、この波長変換光の出力をフォトダイオード７０４が検出し、制御回路１０３は、波長変換光の出力をモニターする。【００８３】
この場合、光分離ミラー９０２を凹面ミラーとし、光分離ミラー９０２の位置と曲率とを調整することにより、参照光を波長変換素子７０１内で集光することが可能となり、参照光発生効率を大きくすることが可能となる。これにより、出力光による参照光のノイズを軽減し、より正確に参照光出力を検出することが可能となる。【００８４】
図１４は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。バルク型の波長変換素子の場合、図１４に示すレーザ光源１００ｄを用いて、下記に示す方法を用いることでも、復路の波長変換効率を高めて、参照光のＳ／Ｎを高めることが可能となる。【００８５】
図１４に示すレーザ光源１００ｄでは、図１３と同様に、擬似位相整合波長変換素子７０１は、励起光及び波長変換光を共に９９％以上透過する反射防止コート７０５、９０１をそれぞれ入射端、出射端に備え、擬似位相整合波長変換素子７０１に励起光が入射する。擬似位相整合波長変換素子７０１から出射する励起光及び波長変換光は、励起光を透過し且つ波長変換光を反射する光分離ミラー６０１に入射する。光分離ミラー６０１を透過する励起光は、励起光を反射する凹面ミラー６０２にて反射し、励起光は、再び光分離ミラー６０１を通過して擬似位相整合波長変換素子７０１に再入射する。ここで、凹面ミラー６０２は、励起光の発散を抑制するために用いる。また、光分離ミラー６０１に再入射して反射された波長変換光は、ビームストッパー７０７に入射して停止する。【００８６】
図１４に示すレーザ光源１００ｄでは、波長変換光を反射する光分離ミラー６０１を二度通すことで、励起光と波長変換光とをより完全に分離することが可能となる。そのため、出力光の一部が参照光のノイズとなることを防ぐことが可能となり、波長変換光の出力が数ｍＷ程度の低出力波長変換の場合であっても、高精度な制御が可能となる。また、光分離ミラー６０１と凹面ミラー６０２の間に、波長変換光吸収フィルター６０３を挿入し、往路で発生した波長変換光を吸収させることが尚望ましい。【００８７】
（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１５を用いて、本発明の実施の形態３に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。【００８８】
図１５に示すレーザ光源１００ｅでは、実施の形態１、２と同様、半導体レーザ１０１は、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を出力する。また、実施の形態２と同様に、擬似位相整合波長変換素子７０１に励起光を入射し、出力光と参照光とを生成し、参照光の出力をフォトダイオード７０４にてモニターする。また、出力光は、出力光を１％程度反射する光分岐ミラー１００１に入射し、反射した出力光は、励起光吸収フィルター１００２に入射し、混入する励起光を取り除き、透過する出力光のみをフォトダイオード１００３でモニターする。【００８９】
本実施の形態では、制御回路１０３は、実施の形態１と同様に、モニターする出力光の強度を基に出力一定制御を行い、また、実施の形態２と同様に、参照光を用いた温度制御を行なう。これらの制御により、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、出力が常に安定するとともに、実施の形態２と同様に、素子温度と位相整合温度とが常にほぼ一致する。この結果、位相整合温度とずれた温度にて波長変換する際に発生するビーム劣化を防ぐことが可能となる。【００９０】
また、本実施の形態では、出力光の強度を一定とするために、励起光光源となる半導体レーザ１０１から生成する励起光の出力を変動させる場合、出力光の位相整合温度時の参照光の出力が変動する。そのため、復路の励起光の出力をモニターすることが望ましい。このため、本実施の形態では、制御回路１０３は、光分離ミラー７０３にて反射する励起光の出力をフォトダイオード１００４にて計測し、計測された励起光の出力と、フォトダイオード７０４で計測される参照光の出力と合算することにより、復路の励起光の出力をモニターすることが可能となり、実施の形態１と同様に、出力一定制御を行うことができる。【００９１】
また、本実施の形態の場合は、出力光の位相整合温度時の復路における規格化波長変換効率を基に実施の形態２に記載されるような温度制御を行なうことが望ましい。ここで、規格化波長変換効率は、参照光出力を復路の励起光出力の二乗で割った値となる。【００９２】
（実施の形態４）
図１６は、本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１６を用いて、本発明の実施の形態４に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。【００９３】
図１６に示すレーザ光源１００ｆは、図１３にて示したレーザ光源１００ｃに、更に、光分離ミラー１４０１、１４０２と、フォトダイオード１４０３とを加えた構成を有する。本実施の形態では、図１６の復路で励起光の一部が波長変換光に変換された後、波長変換光及び励起光は、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー１４０１に入射する。光分離ミラー１４０１を透過する波長変換光は、実施の形態２と同様に、フォトダイオード７０４に入射し、その出力が第１の参照光の出力としてモニターされる。【００９４】
一方、光分離ミラー１４０１にて反射された励起光は、再び波長変換素子７０１に入射する。以降、半導体レーザ１０１から入射した励起光の波長変換素子７０１内の光路を第１の往路とし、光分離ミラー１４０１で反射した励起光の波長変換素子７０１内の光路を第２の往路とする。第２の往路にて、励起光の一部は、波長変換光に変換され、波長変換素子７０１を出射した後、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー１４０２に入射する。光分離ミラー１４０２を透過した波長変換光の出力は、第２の参照光としてフォトダイオード１４０３にてモニターされる。また、光分離ミラー１４０２にて反射された励起光は、ビームストッパー７０６に入射して停止する。【００９５】
ここで、本実施の形態では、例えば、波長変換素子７０１の分極反転周期方向と、第１の往路、復路及び第２の往路とがなす角度が、それぞれ、１．００°、１．４４°、０．００°となるように、光分離ミラー９０２、１４０１及び波長変換素子７０１の角度が調節されている。これにより、図１７に示すように、第１の参照光の温度特性１５０２（図中の破線）と第２の参照光の温度特性１５０３（図中の一点鎖線）とは、出力光の温度特性１５０１（図中の実線）の低温側と高温側とにそれぞれ０．７℃シフトして重なる。【００９６】
本実施の形態では、第１の参照光及び第２の参照光の出力をモニターし、出力光が最大となるように波長変換素子７０１をヒーター１０５にて加熱又は冷却する。例えば、出力光の強度が最大となる波長変換素子温度にて、第１の参照光と第２の参照光との出力比を予め計測し、制御回路１０３は、この出力比を予め記憶し、第１の参照光と第２の参照光との出力比が予め記憶している値に近づくように、波長変換素子７０１の温度を調節する。図１７に示した例の場合、制御回路１０３は、予め記憶させた値より出力比（第１の参照光の出力／第２の参照光の出力）が大きい場合に、波長変換素子７０１の温度を増加させ、小さい場合に、波長変換素子７０１の温度を減少させる制御を行う。【００９７】
このように、本実施の形態では、出力比（第１の参照光の出力／第２の参照光の出力）を基に、波長変換素子７０１の温度制御を実施するため、往路での波長変換効率や、往路にて変換されなかった励起光の出力が変動した場合でも、高精度に温度制御を実施することが可能となる。【００９８】
また、波長変換素子７０１として、実施の形態２と同様に、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いることが望ましく、高効率波長変換が可能となる。また、擬似位相整合波長変換素子は、分極反転周期構造の周期を部分的に調節したり、部分的に分極反転周期構造の無い部分を形成したりすることが容易であるため、第１の参照光及び第２の参照光の位相整合温度や温度許容幅を自由に調節することが可能となる。また、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを用いた波長変換素子は、励起光や波長変換光を吸収することにより発生する温度変化が原因となり、出力変動が発生し易いが、本実施の形態に用いることで、安定した出力が得られる。【００９９】
また、複屈折位相整合の場合においても、励起光の偏向方向と結晶の光軸との角度を変えることで、位相整合温度が変わるため、出力光と異なる位相整合温度の第１の参照光及び第２の参照光を得ることが可能となり、同様の温度調節が行なえる。特に、高出力波長変換特性に優れたＬＢＯや安価なＫＴＰなど複屈折位相整合波長変換素子に用いる場合に、本実施の形態が有益となる。【０１００】
また、素子温度が出力光の位相整合温度となり、出力光の強度が最大となるときに、第１の参照光及び第２の参照光の出力がそれぞれの最大値の１５％以上８５％以下となることが望ましい。１５％以上８５％以下とすることにより、Ｓ／Ｎが十分高く、高精度の温度制御が可能となる。また、３０％以上６０％以下となることがより望ましい。これにより、温度変化に対する第１の参照光及び第２の参照光の出力変動が十分大きくなるため、高速な温度制御が可能となり、出力光の出力変動が更に軽減される。【０１０１】
また、出力光が第１の参照光及び第２の参照光に混入する場合や、第１の参照光が第２の参照光に混入する場合、高精度の温度制御が行えない。そのため、本実施の形態における光分離ミラー９０２、１４０１の波長変換光反射率を５％以下に設定して、混入を防止することが望ましい。【０１０２】
また、本実施の形態のレーザ光源１００ｆでは、波長変換素子７０１内に３本の励起光の光路（第１の往路、復路及び第２の往路）を形成するため、アライメントが容易なスラブ型導波路を形成している波長変換素子やバルク型（非導波路型）の波長変換素子を用いることが特に望ましい。特に、波長変換光出力が１０Ｗ以下の場合は、スラブ型導波路を形成した波長変換素子を用いることで、復路の励起光の強度を確保しやすく、復路での励起光から波長変換光への高い変換効率が得られるため、第１の参照光及び第２の参照光のＳ／Ｎを十分高くすることができる。【０１０３】
また、ニオブ酸リチウム、又はタンタル酸リチウムからなる波長変換素子を用い、１２００ｎｍ以下の波長の励起光を入射し、６００ｎｍ以下の波長の波長変換光に変換する場合、波長変換光出力が５００ｍＷを超えると、波長変換素子内の光吸収による発熱が第１の往路、復路及び第２の往路との間に温度差を発生させる。この温度差が、本実施の形態の制御にとって、ノイズとなるため、ビーム径を拡大することで光吸収とそれによる温度上昇との影響を軽減しやすいバルク型の波長変換素子を用いることが望ましい。【０１０４】
また、バルク型の波長変換素子の場合、光分離ミラー９０２、１４０１の曲率を調節することで、復路及び第２の往路の波長変換効率を高めることが可能となり、第１の参照光及び第２の参照光のＳ／Ｎを高めることが可能となる。【０１０５】
また、本実施の形態の他の構成として、図１８に示すような構成も考えられる。図１８は、本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。【０１０６】
図１８に示すレーザ光源１００ｇでは、半導体レーザ１０１から出射する励起光が波長変換素子７０１に入射し、その一部が波長変換光に変換された後、凹面ミラー１９０４、１９０１を用いて、励起光のみが二つの第１の励起光及び第２の励起光に分岐され、波長変換素子７０１に再び入射する。ここで、例えば、凹面ミラー１９０４は、波長変換光を９９％以上透過し、励起光を５０％程度反射して第１の励起光を出射し、凹面ミラー１９０１は、波長変換光を９９％以上透過し、励起光を９９％以上反射して第２の励起光を出射する。【０１０７】
これら二つの第１及び第２の励起光は、それぞれ波長変換素子７０１内にて第１及び第２の波長変換光に変換され、第１及び第２の波長変換光は、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー７０３、１９０２を経て、フォトダイオード７０４、１９０３にて第１及び第２の参照光としてモニターされる。また、光分離ミラー７０３、１９０２にて反射された励起光は、ビームストッパー７０６、７０７に入射して停止する。【０１０８】
ここで、本実施の形態では、図１６で示した例と同様に、例えば、波長変換素子７０１の分極反転周期方向と、半導体レーザ１０１から出射した励起光（往路）、並びに凹面ミラー１９０４、１９０１にて反射させた第１及び第２の励起光（第１及び第２の復路の２本）とがなす角度が、それぞれ、１．００°（＝θ２）、１．４４°（＝θ２＋θ１）、０．００°となるように、凹面ミラー１９０４、１９０１及び波長変換素子７０１の角度が調節されている。したがって、図１８に示す例でも、図１６で示した例と同様の効果を発揮することが可能となることは言うまでもない。また、本構成では、二つの復路の励起光の出力比が一定となるため、二つの参照光の出力比から温度制御を行う精度が向上し、より高効率で安定な出力光を得ることが可能となる。【０１０９】
（実施の形態５）
図１９は、本発明の実施の形態５に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１９を用いて、本発明の実施の形態５に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。【０１１０】
図１９に示すレーザ光源１００ｈは、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、ヒーター１０５、回折光学素子１６０１、励起光吸収フィルター１６０２、１６０３、フォトダイオード１６０４、１６０５、擬似位相整合波長変換素子１６０６、及び反射防止コート７０５、１６０７を備える。【０１１１】
半導体レーザ１０１は、実施の形態２と同様、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を生成する。本実施の形態では、励起光は、まず、回折光学素子１６０１に入射し、主光路１６０８、２本の副光路１６０９、１６１０の３方向に分岐する。ここで、主光路１６０８、副光路１６０９、１６１０の励起光のパワー比を例えば、９８：１：１とする。【０１１２】
分岐後の励起光の出力の９８％を占める最も出力の大きな主光路１６０８の励起光が波長変換素子１６０６に入射し、その一部が波長変換光に変換され、出力光としてレーザ光源１００ｈの外部に出射される。副光路１６０９、１６１０の励起光は、波長変換素子１６０６に入射し、その一部が波長変換光に変換される。副光路１６０９、１６１０の波長変換光は、それぞれ励起光吸収フィルター１６０２、１６０３を通して、フォトダイオード１６０４、１６０５にて、その出力を参照光の出力として計測される。ここで、励起光吸収フィルター１６０２、１６０３は、励起光を吸収して波長変換光を透過する。【０１１３】
本実施の形態では、擬似位相整合波長変換素子１６０６の分極反転周期を部分（主光路１６０８の励起光が通過する中間部、副光路１６０９の励起光が通過する上部及び副光路１６１０の励起光が通過する下部）毎に変えることで、主光路１６０８、副光路１６０９、１６１０での温度特性をそれぞれ図１７の温度特性１５０１、１５０３、１５０２のような関係にすることが可能となる。つまり、実施の形態４と同様の制御が可能となる。【０１１４】
本実施の形態は、主光路と副光路とに入射する励起光パワーの比が一定となるため、励起光の出力変動が大きい場合にも、高精度な温度制御が可能となる。また、波長変換素子１６０６の入出射面には、励起光及び波長変換光の反射を防止する反射防止コート７０５、１６０７を備えることで、フォトダイオード１６０４、１６０５に副光路１６０９、１６１０から生成した波長変換光以外の意図しない波長変換光の入射を防ぐことが可能となる。これにより、高精度な制御が可能となる。【０１１５】
なお、本実施の形態では、副光路が二本の場合について示したが、副光路は一本以上であればよい。ただし、二本以上となることにより、実施の形態４と同様に、二つの参照光の出力比を基に制御回路１０３及びヒーター１０５を用いた温度制御が可能となり、より高精度な温度制御が可能となる。【０１１６】
また、本実施の形態では、部分ごとに分極反転周期が異なる波長変換素子を用いたが、実施の形態４と同様に、主光路及び二本の副光路と分極反転周期との角度を調整する方法を用いてもよい。分極反転周期を変えることにより位相整合温度を変える方法に比べて、それぞれの光路と分極反転周期との角度を変えることにより位相整合温度を変える方法は、高精度に位相整合温度を調節することが可能となる。【０１１７】
但し、角度の差が小さすぎて、それぞれの光路からの波長変換光を分離することが難しい場合は、実施の形態２で示したように、それぞれの光路における分極反転周期と、分極反転周期方向に対する角度との両方を調節する方法を用いることが、より望ましい。光源のサイズにもよるが、主光路と副光路との角度が１０°以下となるとき、これに該当する。【０１１８】
（実施の形態６）
図２０は、本発明の実施の形態６に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図２０を用いて、本発明の実施の形態６に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。【０１１９】
図２０に示すレーザ光源１００ｉは、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、ヒーター１０５、擬似位相整合波長変換素子１７０１、光反射コート１７０２、光分離コート１７０３、光分岐ミラー１７０４、１７０５、及びフォトダイオード１７０６、１７０７を備える。【０１２０】
半導体レーザ１０１は、実施の形態２と同様、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を生成する。本実施の形態では、励起光は、擬似位相整合波長変換素子１７０１に入射し、擬似位相整合波長変換素子１７０１の両端面に形成された光反射コート１７０２と光分離コート１７０３との間で複数回反射して、複数の光路を形成する。ここで、光反射コート１７０２は、励起光及び波長変換光を共に反射し、光分離コート１７０３は、励起光を反射し、波長変換光を透過する。このため、各光路にて発生する波長変換光は、光分離コート１７０３を形成した端面から出射する。出射した波長変換光の一部は、光分岐ミラー１７０４、１７０５にて分岐され、フォトダイオード１７０６、１７０７に入射し、その出力がモニターされる。【０１２１】
本実施の形態のレーザ光源１００ｉでは、擬似位相整合波長変換素子１７０１の分極反転周期を光路毎に変えることで（例えば、上部から下部に移行するに従って分極反転周期を狭くすることで）、各光路の位相整合温度を少しずつずらしている。この結果、図２１に示すように、出力光の全パワーの温度特性１８０１は、４０℃から６０℃まで安定した温度特性となるので、温度変化に対する出力の変化が軽減され、温度変化が激しい環境下でも、出力の安定したレーザ光源を実現することが可能となる。【０１２２】
但し、全パワーの温度特性１８０１が４０℃から６０℃までほぼフラットな特性となるため、４０℃から６０℃の間では、擬似位相整合波長変換素子１７０１の温度を、出力光の値から予測することができず、加熱又は冷却の判断ができない。そこで、本実施の形態では、最も位相整合温度が低い光路と、最も位相整合温度が高い光路とから生成した波長変換光の一部を参照光として、それぞれフォトダイオード１７０６、１７０７に入射し、その出力をモニターしている。図２１に示すように、フォトダイオード１７０６、１７０７に入射する参照光の温度特性１８０２、１８０３は、それぞれ４０℃と６０℃で最大となる。つまり、これらの出力をモニターすることで、出力光の温度が低下し始める４０℃以下や６０℃以上となる前に、擬似位相整合波長変換素子１７０１の加熱又は冷却の判断が可能となる。【０１２３】
また、本実施の形態では、波長変換素子１７０１内の励起光の光路が長いため、回折によってレーザのビーム径が拡大し、波長変換効率が低下する。このため、波長変換素子１７０１として、スラブ導波路型の波長変換素子を用いることが望ましく、これによって、一方向の回折の効果を軽減することができるので、高い波長変換効率が得られる。【０１２４】
また、実施の形態１〜６の構成において、波長変換素子内の複数の光路がそれぞれヒーター（波長変換素子の温度調節部材）から同程度の距離であることが望ましいため、実施の形態１〜６のヒーターは、各図の紙面と平行な波長変換素子の側面（裏面）に配置されている。これにより、光路間の温度差が軽減され、温度制御の制度が向上する。なお、ヒーターを配置する面は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。【０１２５】
（実施の形態７）
図２２は、本発明の実施の形態７に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。【０１２６】
図２２に示すように、本実施の形態の画像表示装置２０１０は、複数のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃと、複数のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃからのレーザビームを走査する複数の走査部２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃと、を備えている。そして、光源には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃを用いた。赤色レーザ光源（Ｒ光源）２００１ａには、波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置を、青色レーザ光源（Ｂ光源）２００１ｃには、波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。また、緑色レーザ光源（Ｇ光源）２００１ｂには、実施の形態１〜６のうちのいずれかのレーザ光源を用い、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する波長変換装置として使用している。【０１２７】
画像表示装置２０１０のＲ、Ｇ、Ｂの各光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃから出射されたレーザビームは、集光レンズ２００９ａ、２００９ｂ、２００９ｃにより集光された後、走査部を構成する反射型２次元ビーム走査部２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃにより拡散板２００３ａ、２００３ｂ、２００３ｃ上を走査される。画像データはＲ、Ｇ、Ｂそれぞれのデータに分割されており、各データに対応する信号が空間変調素子２００５ａ、２００５ｂ、２００５ｃに入力される。拡散板２００３ａ、２００３ｂ、２００３ｃからのレーザビームは、フィールドレンズ２００４ａ、２００４ｂ、２００４ｃで絞られ、空間変調素子２００５ａ、２００５ｂ、２００５ｃに入力して画像データに応じて変調された後、ダイクロイックプリズム２００６で合波することにより、カラー画像が形成される。このように合波した画像は、投射レンズ２００７によりスクリーン２００８に投影される。【０１２８】
ただし、Ｇ光源２００１ｂから空間変調素子２００５ｂに入射する光路中には、空間変調素子２００５ｂでのＧ光のスポットサイズをＲ光やＢ光と同じにするための凹レンズ２００９が挿入されている。また、Ｇ光源２００１ｂは、実施の形態１〜６で示したＧ光源に集光レンズ（図示せず）などの光学部品を付加して、出力光のマルチビームが集光されることにより、反射型２次元ビーム走査部２００２ｂで走査しやすいようにしている。また、反射型２次元ビーム走査部２００２ａ、２００２ｃと拡散板２００３ａ、２００３ｃとの間には、ミラー２０１１ａ、２０１１ｃが配置されている。【０１２９】
このように、本実施の形態の画像表示装置２０１０において、Ｇ光源２００１ｂは、実施の形態１〜６で示したＧ光源を用いている。すなわち、画像表示装置２０１０は、スクリーン２００８と、複数のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃと、レーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃからのレーザビームを走査する走査部２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃとを備え、レーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃは、少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなり、レーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃのうち、少なくとも緑色の光源（Ｇ光源）２００１ｂは、実施の形態１〜６のいずれかのレーザ光源を用いている。【０１３０】
このような構成とすることにより、色再現性に優れ、低消費電力の安定した画像表示装置を実現することができる。また、本実施の形態の画像表示装置２０１０の構成からスクリーン２００８を省き、直接網膜に画像を形成してもよい。こうすることにより、低消費電力で小型、且つ、広画角な画像表示が可能となる。【０１３１】
（実施の形態８）
図２３は、本発明の実施の形態８に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。本実施の形態では、画像表示装置の一例として、液晶表示装置２１０６の模式的な構成を示し、液晶表示装置２１０６は、実施の形態１〜６のうちのいずれかのレーザ光源をＧ光源として含むバックライト照明装置２１０１を用いている。【０１３２】
図２３に示すように、液晶表示装置２１０６は、空間変調素子である液晶表示パネル２１０７と、液晶表示パネル２１０７を背面側から照明するバックライト照明装置２１０１と、を備えて構成されている。そして、バックライト照明装置２１０１の光源は、レーザ光源２１０２から構成され、レーザ光源２１０２は、少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射するＲ光源２１０２ａ、Ｇ光源２１０２ｂ及びＢ光源２１０２ｃを含む。すなわち、Ｒ光源２１０２ａ、Ｇ光源２１０２ｂ及びＢ光源２１０２ｃは、それぞれ赤色、緑色及び青色のレーザ光を出射する。レーザ光源２１０２のうちＧ光源２１０２ｂは、実施の形態１〜６で示したレーザ光源からなるＧ光源を用いて構成される。【０１３３】
ここでは、Ｒ光源２１０２ａには、波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置を、青色レーザ光源（Ｂ光源）２１０２ｃには、波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。また、緑色レーザ光源（Ｇ光源）２１０２ｂには、実施の形態１〜６において示したうちのいずれかのレーザ光源を用い、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する波長変換装置として使用している。【０１３４】
次に、本実施の形態の液晶表示装置２１０６の構成について具体的に説明する。本実施の形態における液晶表示装置２１０６は、バックライト照明装置２１０１と、このバックライト照明装置２１０１から出射されるＲ光、Ｇ光及びＢ光のレーザ光を利用して画像表示を行う偏光板２１０８及び液晶板２１０９から構成される液晶表示パネル２１０７とからなる。【０１３５】
バックライト照明装置２１０１は、Ｒ光源２１０２ａ、Ｇ光源２１０２ｂ及びＢ光源２１０２ｃからのＲ光、Ｇ光及びＢ光のレーザ光をまとめて導光部２１０４を介して導光板２１０５に導く光ファイバ２１０３と、導入したＲ光、Ｇ光及びＢ光のレーザ光で均一に満たされて主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板２１０５とから構成されている。なお、Ｇ光源２１０２ｂは、実施の形態１〜６で示したレーザ光源に集光レンズ（図示せず）などの光学部品を付加して、出力光のマルチビームが光ファイバ２１０３に集光されて導光板２１０５に導かれるようにしている。【０１３６】
したがって、本実施の形態でも、色再現性に優れ、低消費電力の安定した画像表示装置を実現することができる。なお、上記の説明では、レーザ光源を用いた画像表示装置として、透過型の液晶パネルを空間変調素子として用いた液晶表示装置について示したが、ＤＭＤミラーや反射型ＬＣＯＳを空間変調素子に用いたプロジェクタなどの画像表示装置であっても、同様の効果を発現することは言うまでもない。【０１３７】
（実施の形態９）
図２４は、本発明の実施の形態９に係るレーザ加工装置の構成の一例について示す概略構成図である。ここで、レーザ加工装置は、実施の形態１〜６のうちのいずれかのレーザ光源を用いている。【０１３８】
図２４に示すように、レーザ加工装置２２０１は、レーザ光源２２０２、スキャンミラー２２０３、及びステージ２２０４から構成され、サンプル２２０５を加工する。レーザ光源２２０２は、実施の形態１〜６のいずれかに示したレーザ光源からなり、レーザ光源２２０２から出射したレーザ光をスキャンミラー２２０３で反射させてサンプル２２０５に照射することで、サンプル２２０５上のレーザ照射位置をＹ軸方向に移動させる。同時に、サンプル２２０５を載せたステージ２２０４をＸ軸方向に移動させることで、サンプル２２０５上のレーザ照射位置はＸ軸方向に移動する。【０１３９】
このような構成で、例えば、レーザ光源２２０２をパルス発振させて任意のレーザ照射位置にレーザ光を照射することで、サンプル２２０５の表面上に任意のパターンのマーキングを施すことが可能となる。また、サンプル２２０５を水槽内に設置し、上記と同様に、サンプル２２０５表面上に向けてレーザをパルス照射することで、レーザピーニングなどに応用することも可能となる。【０１４０】
このように、実施の形態１〜６のレーザ光源は、安定したビーム品質が高いレーザ光を生成することが可能であり、レーザマーキングやレーザピーニングなど、レーザ加工装置に用いる光源として望ましい。【０１４１】
また、レーザピーニングには、波長変換光として４４１ｎｍ以上５９２ｎｍ以下の波長の光を生成するレーザ光源を用いることが望ましく、これにより、水がレーザ光を吸収することで蒸発することを防ぎ、サンプル２２０５の照射面での高いレーザピーニング効果を発現することが可能となる。【０１４２】
本実施の形態では、スキャンミラーを用いたレーザ走査型の加工装置について述べたが、これは、レーザ光源を用いた加工装置の一例であり、例えば、レーザ光源にて生成したレーザ光をファイバに入射させて、ファイバの反対面（出射端）を向けた任意の照射面にレーザ光を照射する構成の加工装置としてもよい。このような構成とすることにより、手術用のレーザ加工装置を実現することが可能となる。【０１４３】
また、波長変換にて生成した波長変換光をファイバに入射して用いる場合、ファイバに入射する際の挿入損失を軽減するため、Ｍ２（Ｍ  ｓｑｕａｒｅ）が１．４以下のビーム品質に優れたレーザ光源であることが望ましい。【０１４４】
また、本明細書にて、各実施の形態に示した構成は一例であって、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることは言うまでもない。【０１４５】
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、本発明に係るレーザ光源は、励起光光源と、前記励起光光源からの励起光が通過する複数の光路を有し、前記複数の光路を通過する励起光を波長変換光に変換することにより、第１の温度特性を有し且つ装置外部へ出射される出力光と、前記第１の温度特性と異なる第２の温度特性を有する参照光とを生成する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、前記参照光を計測する参照光計測部と、前記参照光計測部により計測された参照光を基に前記波長変換素子の温度を制御する制御部とを備える。【０１４６】
このレーザ光源においては、波長変換素子内に励起光が通過する複数の光路が形成され、レーザ光源の外部へ出力される波長変換光となる出力光と異なる温度特性を示す参照光をモニターして波長変換素子を温度制御しているので、参照光の強度は出力光の強度が最大になる素子温度で傾斜部分を有し、この傾斜部分を用いて波長変換素子の温度を制御することにより、出力光の強度が最大になる素子温度付近において高速な温度制御が可能となり、従来、温度制御中に発生していた出力変動を大幅に軽減することができるとともに、出力を安定化することができる。【０１４７】
前記出力光は、第１の素子温度で最大値となる第１の温度特性を有し、前記参照光は、前記第１の素子温度と異なる第２の素子温度で最大値となる第２の温度特性を有し、前記参照光の強度は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度で、前記参照光の最大値の１５％以上８５％以下となることが好ましく、前記参照光の最大値の３０％以上６０％以下となることがより好ましい。【０１４８】
前者の場合、Ｓ／Ｎが十分高く、高精度の温度制御が可能となり、また、後者の場合、温度変化に対する参照光の出力変動が十分大きくなるため、高速な温度制御が可能となり、出力変動が更に軽減される。【０１４９】
前記制御部は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における前記参照光の強度を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光の強度が記憶している参照光の強度になるように、前記波長変換素子の温度を調整することが好ましい。【０１５０】
この場合、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの参照光の強度を予め記憶し、参照光が予め記憶された値となるように温度調節しているので、参照光の出力をモニターすることにより、即座に加熱又は冷却の判断が可能となる。この結果、高速な温度制御が可能となるとともに、高効率で安定した波長変換が可能となり、また、出力光のビーム劣化も防ぐことが可能となる。【０１５１】
前記制御部は、前記参照光計測部により計測された参照光から前記波長変換素子の規格化波長変換効率を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における規格化波長変換効率を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光から算出した規格化波長変換効率が記憶している規格化波長変換効率になるように、前記波長変換素子の温度を調整するようにしてもよい。【０１５２】
この場合、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの規格化波長変換効率を予め記憶し、規格化波長変換効率が予め記憶された値となるように温度調節しているので、規格化波長変換効率をモニターすることにより、即座に加熱又は冷却の判断が可能となる。この結果、高速な温度制御が可能となるとともに、高効率で安定した波長変換が可能となり、また、出力光のビーム劣化も防ぐことが可能となる。さらに、規格化波長変換効率の増減は、励起光の入力の増減の影響を受けず、素子温度のみに依存するので、温度制御を高精度に行うことができる。【０１５３】
前記参照光計測部は、前記第１の素子温度より低温で最大値となる低温側シフト温度特性を有する第１の参照光を計測する第１の参照光計測部と、前記第１の素子温度より高温で最大値となる高温側シフト温度特性を有する第２の参照光を計測する第２の参照光計測部とを含み、前記制御部は、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光の出力比を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における第１及び第２の参照光の出力比を予め記憶し、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光から算出した出力比が記憶している出力比になるように、前記波長変換素子の温度を調整するようにしてもよい。【０１５４】
この場合、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの第１参照光と第２参照光との出力比を予め記憶し、予め記憶させた値より出力比が大きい場合に波長変換素子の温度を増加させ、小さい場合に波長変換素子の温度を減少させる制御を行うことができるので、複数の励起光の光路のうち往路での波長変換効率や、往路にて変換されなかった励起光の出力が変動した場合でも、高精度に温度制御を実施することが可能となる。【０１５５】
上記レーザ光源は、前記出力光の一部を計測する出力光計測部をさらに備え、前記制御部は、前記出力計測部により計測された出力光を基に、装置外部へ出力される前記出力光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御することが好ましい。【０１５６】
この場合、出力光の強度を基に出力一定制御を行うとともに、参照光を用いた温度制御を行っているので、出力が常に安定するとともに、素子温度と位相整合温度とが常にほぼ一致し、位相整合温度とずれた温度にて波長変換する際に発生するビーム劣化を防ぐことが可能となる。【０１５７】
上記レーザ光源は、前記波長変換素子から出射される励起光を計測する励起光計測部をさらに備えることが好ましい。【０１５８】
この場合、計測された励起光の出力と、計測された参照光の出力と合算することにより、複数の励起光の光路のうち復路の励起光の出力をモニターすることができるので、出力一定制御を高精度に行うことができる。【０１５９】
前記波長変換素子は、バルク型波長変換素子であることが好ましい。【０１６０】
この場合、ビーム径を拡大することにより、光吸収とそれによる温度上昇との影響を軽減することができるとともに、波長変換素子内での伝搬ロスを少なくすることができる。【０１６１】
前記波長変換素子は、スラブ導波路型波長変換素子であってもよい。【０１６２】
この場合、波長変換光の強度が１０Ｗ以下のとき、複数の励起光の光路のうち復路の励起光の強度を確保しやすく、復路での励起光から波長変換光への高い変換効率が得られるため、参照光のＳ／Ｎを十分高くすることができる。【０１６３】
前記波長変換素子は、擬似位相整合波長変換素子であることが好ましい。【０１６４】
この場合、分極反転周期構造の周期を部分的に調節したり、部分的に分極反転周期構造の無い部分を形成したりすることが可能であるため、複数の参照光の位相整合温度や温度許容幅を自由に調節することが可能となる。【０１６５】
前記波長変換素子の前記参照光を生成する励起光の光路における分極反転周期は、前記出力光を生成する励起光の光路における分極反転周期と異なることが好ましい。【０１６６】
この場合、温度特性の異なる出力光及び参照光を容易に生成することができる。【０１６７】
前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする非線形光学結晶からなることが好ましい。この場合、高効率な波長変換が可能となる。【０１６８】
本発明に係る他のレーザ光源は、励起光光源と、前記励起光光源からの励起光を波長の異なる波長変換光に変換する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、前記波長変換素子から出射する波長変換光の一部を出力光として計測する出力光計測部と、前記出力計測部により計測された出力光を基に前記波長変換光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御する出力一定制御と、前記波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように前記波長変換素子の温度を調整する温度制御とを同時に行う制御部とを備える。【０１６９】
このレーザ光源においては、波長変換光の出力を励起光光源にフィードバックする出力一定制御中に、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように温度制御を行っているので、出力一定制御を停止させずに、素子温度の位相整合温度とのずれを解消することが可能となる。この結果、出力の激しい変動が発生しないため、頻繁に温度制御を行なうことが可能となり、常に高い波長変換効率を維持することができるとともに、常に最適温度での波長変換を行うため、波長変換光のビーム劣化も少ない。また、励起光光源に半導体レーザを使用する場合は、駆動電流を軽減することが可能となり、半導体レーザの性能が低下し又は寿命が短くなることを抑制することが可能となる。【０１７０】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことが好ましい。【０１７１】
この場合、励起光をモニターし、波長変換素子へ入射する励起光の強度が最小となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。【０１７２】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子の規格化波長変換効率が最大となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うようにしてもよい。【０１７３】
この場合、規格化波長変換効率が最大となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。また、規格化波長変換効率の増減は、励起光の入力の増減の影響を受けず、素子温度のみに依存するので、温度制御を高精度に行うことができる。【０１７４】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子から出射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うようにしてもよい。【０１７５】
この場合、波長変換素子から出射する励起光の強度が最小となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。【０１７６】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記励起光光源の入力電力が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うようにしてもよい。【０１７７】
この場合、励起光光源の入力電力が最小となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。【０１７８】
前記制御部は、前記波長変換素子の温度が位相整合温度であるときに、所望の波長変換光が得られる、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうち制御に使用する値を予め記憶することが好ましい。【０１７９】
この場合、制御値が予め記憶された値となるように温度調節を行うことができるので、高速な温度制御が可能となる。【０１８０】
前記制御部は、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうちのいずれかが、予め設定した閾値条件を満たす場合に、前記温度制御から、前記波長変換素子の温度を一定に制御する温度一定制御に切り替えることが好ましい。【０１８１】
この場合、温度一定制御中は、温度一定制御に必要となる制御部の負荷を軽減することが可能となる。【０１８２】
前記制御部は、前記励起光光源への入力電力に上限を持たせて制御することが好ましい。【０１８３】
この場合、励起光光源の劣化を防止し、励起光光源の寿命を長くすることができる。【０１８４】
前記波長変換素子は、分極反転周期構造を形成した非線形光学結晶であり、前記波長変換素子の位相整合温度は、環境温度より高温であることが好ましい。【０１８５】
この場合、常温の環境下では、波長変換素子の冷却機能を必要とせず、安価なヒーター等を波長変換素子の加熱及び冷却部材として用いることが可能となる。【０１８６】
前記レーザ光源より出射するレーザ光のＭ２は、１．４以下であることが好ましい。【０１８７】
この場合、ビーム品質に優れたレーザ光を得ることができるので、レーザ加工用途に適したレーザ光源を実現することができる。【０１８８】
本発明に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源と、空間変調素子と、前記レーザ光源から出射する光を前記空間変調素子に導く光学系とを備え、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、上記いずれかに記載されたレーザ光源である。【０１８９】
本発明に係る他の画像表示装置は、複数のレーザ光源と、走査部と、前記複数のレーザ光源から出射する光を前記走査部に導く光学系とを備え、前記走査部は、前記光学系により導かれた複数のレーザ光源からの光を走査し、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、上記いずれかに記載されたレーザ光源である。【０１９０】
これらの画像表示装置においては、上記の制御を実施するレーザ光源をディスプレイ用として用いているので、ホワイトバランスの変動が少なく且つ低消費電力の画像表示装置を実現することができる。【０１９１】
本発明に係る他の加工装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射するレーザ光を加工対象に導く光学系とを備え、前記レーザ光源は、上記いずれかに記載されたレーザ光源である。【０１９２】
この加工装置においては、上記の制御を実施するレーザ光源を用いているので、安定したビーム品質が高いレーザ光を生成することができ、レーザマーキングやレーザピーニングなどのレーザ加工を行うことできる。【０１９３】
前記レーザ光源から生成するレーザ光の波長は、４４１ｎｍ以上５９２ｎｍ以下であることが好ましい。【０１９４】
この場合、水がレーザ光を吸収することにより、水が蒸発することを防止することができるので、加工対象の照射面において、高いレーザピーニング効果を発現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１９５】
本発明に係るレーザ光源は、波長変換素子を用いたレーザ光源の出力安定化及び高効率化が可能であるので、０．５μｍから０．６μｍの可視領域の波長、２μｍ以上の中赤外領域の波長の光を安定して出力することができ、医療用、加工用、ディスプレイ用など様々な分野に応用される。
【図１】
2009081577.tif 000003
【図２】
2009081577.tif 000004
【図３】
2009081577.tif 000005
【図４】
2009081577.tif 000006
【図５】
2009081577.tif 000007
【図６】
2009081577.tif 000008
【図７】
2009081577.tif 000009
【図８】
2009081577.tif 000010
【図９】
2009081577.tif 000011
【図１０】
2009081577.tif 000012
【図１１】
2009081577.tif 000013
【図１２】
2009081577.tif 000014
【図１３】
2009081577.tif 000015
【図１４】
2009081577.tif 000016
【図１５】
2009081577.tif 000017
【図１６】
2009081577.tif 000018
【図１７】
2009081577.tif 000019
【図１８】
2009081577.tif 000020
【図１９】
2009081577.tif 000021
【図２０】
2009081577.tif 000022
【図２１】
2009081577.tif 000023
【図２２】
2009081577.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年8月21日(2009.8.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光光源と、
前記励起光光源からの励起光が通過する複数の光路を有し、前記複数の光路を通過する励起光を波長変換光に変換することにより、第１の温度特性を有し且つ装置外部へ出射される出力光と、前記第１の温度特性と異なる第２の温度特性を有する参照光とを生成する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、
前記参照光を計測する参照光計測部と、
前記参照光計測部により計測された参照光を基に前記波長変換素子の温度を制御する制御部とを備えることを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記出力光は、第１の素子温度で最大値となる第１の温度特性を有し、前記参照光は、前記第１の素子温度と異なる第２の素子温度で最大値となる第２の温度特性を有し、
前記参照光の強度は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度で、前記参照光の最大値の１５％以上８５％以下となることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記制御部は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における前記参照光の強度を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光の強度が記憶している参照光の強度になるように、前記波長変換素子の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記制御部は、前記参照光計測部により計測された参照光から前記波長変換素子の規格化波長変換効率を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における規格化波長変換効率を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光から算出した規格化波長変換効率が記憶している規格化波長変換効率になるように、前記波長変換素子の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記参照光計測部は、
第１の素子温度より低温で最大値となる低温側シフト温度特性を有する第１の参照光を計測する第１の参照光計測部と、
前記第１の素子温度より高温で最大値となる高温側シフト温度特性を有する第２の参照光を計測する第２の参照光計測部とを含み、
前記制御部は、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光の出力比を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における第１及び第２の参照光の出力比を予め記憶し、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光から算出した出力比が記憶している出力比になるように、前記波長変換素子の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記出力光の一部を計測する出力光計測部をさらに備え、
前記制御部は、前記出力光計測部により計測された出力光を基に、装置外部へ出力される前記出力光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記波長変換素子から出射される励起光を計測する励起光計測部をさらに備えることを特徴とする請求項６記載のレーザ光源。
【請求項８】
前記波長変換素子は、バルク型波長変換素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項９】
前記波長変換素子は、スラブ導波路型波長変換素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１０】
前記波長変換素子は、擬似位相整合波長変換素子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１１】
前記波長変換素子の前記参照光を生成する励起光の光路における分極反転周期は、前記出力光を生成する励起光の光路における分極反転周期と異なることを特徴とする請求項１０記載のレーザ光源。
【請求項１２】
励起光光源と、
前記励起光光源からの励起光を波長の異なる波長変換光に変換する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、
前記波長変換素子から出射する波長変換光の一部を出力光として計測する出力光計測部と、
前記出力光計測部により計測された出力光を基に前記波長変換光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御する出力一定制御と、前記波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように前記波長変換素子の温度を調整する温度制御とを同時に行う制御部とを備えることを特徴とするレーザ光源。
【請求項１３】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１４】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子の規格化波長変換効率が最大となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１５】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子から出射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１６】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記励起光光源の入力電力が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことを特徴とする請求項１２記載のレーザ光源。
【請求項１７】
前記制御部は、前記波長変換素子の温度が位相整合温度であるときに、所望の波長変換光が得られる、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうち制御に使用する値を予め記憶することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１８】
前記制御部は、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうちのいずれかが、予め設定した閾値条件を満たす場合に、前記温度制御から、前記波長変換素子の温度を一定に制御する温度一定制御に切り替えることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１９】
前記制御部は、前記励起光光源への入力電力に上限を持たせて制御することを特徴とする請求項１２〜１８のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項２０】
前記波長変換素子は、分極反転周期構造を形成した非線形光学結晶であり、前記波長変換素子の位相整合温度は、環境温度より高温であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項２１】
前記レーザ光源より出射するレーザ光のＭ２は、１．４以下であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項２２】
複数のレーザ光源と、
空間変調素子と、
前記レーザ光源から出射する光を前記空間変調素子に導く光学系とを備え、
前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、
前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、請求項１〜２１のいずれかに記載されたレーザ光源であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２３】
複数のレーザ光源と、
走査部と、
前記複数のレーザ光源から出射する光を前記走査部に導く光学系とを備え、
前記走査部は、前記光学系により導かれた複数のレーザ光源からの光を走査し、
前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、
前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、請求項１〜２１のいずれかに記載されたレーザ光源であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２４】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射するレーザ光を加工対象に導く光学系とを備え、
前記レーザ光源は、請求項１〜２１のいずれかに記載されたレーザ光源であることを特徴とする加工装置。
【請求項２５】
前記レーザ光源から生成するレーザ光の波長は、４４１ｎｍ以上５９２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２４記載の加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学効果を利用して波長変換を行う波長変換素子を含むレーザ光源と、その制御方法とに関し、また、このレーザ光源を用いた画像表示装置及び加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、通信用や光学記録用ばかりでなく、計測用、医療用、加工用、ディスプレイ用など様々な分野で用いられている。これらの用途には、制御の容易性や小型であるという特徴から、半導体レーザが主な光源として用いられている。
【０００３】
上記光源の中で、０．５μｍから０．６μｍの可視領域の波長の光を安定して発生させる半導体レーザは、実現していない。また、２μｍ以上の中赤外領域の波長の光を発生させる半導体レーザは、−１００℃から−２００℃に冷却する必要があり、室温での連続発振が困難である。
【０００４】
そこで、可視領域や中赤外領域の波長の光を発生させる為に、半導体レーザや、半導体レーザで励起したファイバレーザなどから出射される光を励起光として用い、非線形光学結晶からなる波長変換素子により励起光を波長変換する波長変換技術が広く用いられている。励起光が波長変換素子内を伝搬することで、励起光のエネルギーは、波長変換光のエネルギーに変換されていく。励起光と波長変換素子との相互作用長を大きくすると、波長変換光への変換量が増大する。
【０００５】
しかし、非線形光学結晶を用いた波長変換において、励起光の波長と波長変換光の波長とが異なるので、励起光及び波長変換光に対する屈折率は、大きく異なる。例えば、代表的な非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を波長変換素子として用い、波長１０６４ｎｍの励起光を入射し、ディスプレイ用光源として利用される緑色レーザ光（波長５３２ｎｍの波長変換光）を得る場合、励起光及び波長変換光の屈折率は、例えば、４０℃のときに２．１５６００及び２．２３３８９となる。この励起光と波長変換光との屈折率の差に伴い、波長変換素子内で励起光と波長変換光との位相が次第にずれるため、効率よく波長変換が行なえない。
【０００６】
このため、従来から、励起光と波長変換光との屈折率の差を修正する方法として、周期的な分極反転周期構造を形成した非線形光学結晶を波長変換素子に用いる擬似位相整合や、励起光と異なる偏光の波長変換光を生成する複屈折位相整合がある。これらの方法を用いることで、ある温度において、励起光と波長変換光との位相を一致させる、又は、擬似的に一定にさせることが可能となる。
【０００７】
しかし、４０℃のときに２．１５６００及び２．２３３８９であった励起光及び波長変換光の屈折率も、例えば、５０℃のときに２．１５６４２及び２．２３４４７と変化する。このため、いずれの場合においても、素子温度が安定しないと、安定して波長変換が行なえない。つまり、素子温度を最適に調節しながら、波長変換を行なう必要がある。以後、波長変換効率が最大となる最適素子温度を位相整合温度と呼ぶ。
【０００８】
従来から広く用いられてきた波長変換素子の温度調節方法としては、波長変換素子の温度を一定値に制御する方法（温度一定制御）、出力値を励起光光源への入力電力にフィードバックする方法（出力一定制御）などが提案されている。この温度一定制御を用いた場合にも、下記のような原因により素子温度が次第に位相整合温度とずれる。
（１）励起光光源となる半導体レーザやファイバレーザの温度が変動し、出力する励起光の波長が変動することで、位相整合温度が変化する。
（２）波長変換素子の固定に伴う応力変化の影響で屈折率が変化し、位相整合温度が変化する。
（３）波長変換素子の温度を測定する温度センサの特性が変化し、温度センサでモニターする素子温度と実際の素子温度が乖離し、素子温度が変化する。
【０００９】
素子温度と位相整合温度とのずれが増大するにつれて、波長変換効率が低下するため、励起光の出力を増大させることで波長変換光の出力を一定に保つ出力一定制御が用いられる。しかし、この場合、消費電力の増大は避けられない。また、励起光の出力に限界があるため、許容可能な温度のずれ幅も限られる。また、励起光に半導体レーザを用いている場合は、投入電力の増加に伴い光源の寿命も短縮される。更に、素子温度と位相整合温度とがずれた状態で、出力される波長変換光は、ビーム品質が低いため、高品質なレーザを必要とする加工用や医療用への応用が難しい。このため、特許文献１では、温度一定制御及び出力一定制御に加えて、定期的に素子温度と位相整合温度の差を解消する制御を併用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７-２３３０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１の従来の技術では、素子温度と位相整合温度とのずれを解消するため、一時的に出力一定制御を中断し、素子温度を増減させながら出力の変動を検出し、最適出力となる素子温度に近づける制御を行うため、その間は出力が変動する。
【００１２】
また、プロジェクションディスプレイや液晶ディスプレイのバックライト等の民生機器の内部に波長変換素子を配置する場合、筐体内の温度が徐々に上昇するため、頻繁に素子温度と位相整合温度とのずれが発生し、その度、出力が不安定となる。これにより、ディスプレイのホワイトバランスが崩れるため、ディスプレイ用としては特に、レーザ光源の出力安定性が求められている。
【００１３】
本発明の目的は、従来の温度一定制御中に発生していた出力変動を大幅に軽減することにより、出力を安定化することができるレーザ光源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一局面に従うレーザ光源は、励起光光源と、前記励起光光源からの励起光が通過する複数の光路を有し、前記複数の光路を通過する励起光を波長変換光に変換することにより、第１の温度特性を有し且つ装置外部へ出射される出力光と、前記第１の温度特性と異なる第２の温度特性を有する参照光とを生成する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、前記参照光を計測する参照光計測部と、前記参照光計測部により計測された参照光を基に、前記出力光の強度が最大となるように、前記波長変換素子の温度を制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
このレーザ光源においては、波長変換素子内に励起光が通過する複数の光路が形成され、レーザ光源の外部へ出力される波長変換光となる出力光と異なる温度特性を示す参照光をモニターして波長変換素子を温度制御しているので、高速な温度制御が可能となる。この結果、従来の温度一定制御中に発生していた出力変動を大幅に軽減することができ、出力を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図２】波長変換素子温度と波長変換光出力との関係を示す図である。
【図３】出力一定制御中の波長変換素子温度と励起光出力との関係を示す図である。
【図４】出力一定制御中のヒーター加熱電流と励起光入力との第１の関係を示す図である。
【図５】出力一定制御中のヒーター加熱電流と励起光入力との第２の関係を示す図である。
【図６】出力一定制御中のヒーター加熱電流と励起光入力との第３の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図８】波長変換素子温度と出力光及び参照光の出力との関係を示す図である。
【図９】擬似位相整合波長変換素子内における分極反転周期方向と励起光の光路とが成す角度と位相整合温度との関係を示す図である。
【図１０】波長変換素子温度と出力光及び参照光の出力との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。
【図１２】分極反転周期構造が形成されていない部分がある場合の波長変換素子温度と出力光及び参照光の出力との関係を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態３に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図１７】波長変換素子温度と出力光、第１及び第２の参照光の出力との関係を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。
【図１９】本発明の実施の形態５に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図２０】本発明の実施の形態６に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。
【図２１】波長変換素子温度と出力光及び２つの参照光の出力との関係を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態７に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。
【図２３】本発明の実施の形態８に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。
【図２４】本発明の実施の形態９に係る加工装置の構成の一例について示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係るレーザ光源について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において同じ符号を付したものは、説明を省略する場合もある。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１を用いて、本発明の実施の形態１に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。
【００１９】
図１に示すレーザ光源１００は、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、波長変換素子１０４、ヒーター１０５、光分離ミラー１０６、光分離ミラー１０７、波長選択フィルター１０８、フォトダイオード１０９、フォトダイオード１１０、及び波長選択フィルター１１１を備える。
【００２０】
半導体レーザ１０１は、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を出力する。出力された励起光は、波長変換素子１０４に入射し、その一部は、波長変換光に変換される。波長変換素子１０４から出射したレーザ光は、光分離ミラー１０６に入射し、光分離ミラー１０６は、波長変換されずに透過した励起光と、波長変換光とを分離する。図１では、光分離ミラー１０６として、４５°入射で、波長変換光の透過率９８〜９９％、励起光の反射率９９％以上のハーモニックセパレーターを用いた。光分離ミラー１０６で反射した９９％以上の励起光と１〜２％の波長変換光とが、光分離ミラー１０７に入射する。
【００２１】
光分離ミラー１０７として、４５°入射で、光分離ミラー１０６と同様の透過率を有するハーモニックセパレーターを用いた。光分離ミラー１０７を透過した励起光と波長変換光とは、励起光を吸収する波長選択フィルター１０８に入射し、透過した波長変換光のみがフォトダイオード１０９に入射する。また、光分離ミラー１０７で反射した励起光と波長変換光とは、波長変換光を吸収する波長選択フィルター１１１に入射し、透過した励起光のみがフォトダイオード１１０に入射する。
【００２２】
制御回路１０３は、フォトダイオード１１０に入射した励起光のパワーと、フォトダイオード１０９に入射した波長変換光のパワーと、上記各ミラーの透過率及び反射率等から、波長変換素子１０４から出射する励起光の強度（励起光出力）及び波長変換光の強度（波長変換光出力）を算出する。これらを足し合わせることで、波長変換素子１０４に入射する励起光の強度（励起光入力）を求めることが可能となる。本実施の形態では、波長変換素子１０４から出射した励起光及び波長変換光から励起光入力を求めているので、波長変換素子１０４に入射する励起光を損失することなく、励起光入力をモニターすることが可能となり、変換効率の低下を防止することができる。
【００２３】
ただし、波長変換素子１０４に入射する励起光の強度の計測方法としては、上記の例に特に限定されず、励起光光源となる半導体レーザ１０１と波長変換素子１０４との間に、励起光を１％程度反射するミラーを挿入し、反射する励起光をモニターしてもよい。この方法では、波長変換素子１０４内において励起光及び波長変換光の吸収がある場合に、波長変換素子を透過する励起光と波長変換光との合計から励起光入力を求める方法より、正確に励起光入力をモニターすることが可能となる。
【００２４】
本実施の形態では、制御回路１０３は、上記のようにして求めた励起光入力の値を基に、素子温度と位相整合温度のずれを解消するように、電流駆動回路１０２の電流及びヒーター１０５の加熱電力を制御する。ヒーター１０５は、制御回路１０３により制御され、波長変換素子１０４の温度を調節する。また、電流駆動回路１０２は、制御回路１０３により制御され、半導体レーザ１０１への電流を調整する。
【００２５】
以下に、レーザ光源１００の立ち上がり動作を含めて、その制御方法を示す。まず、立ち上がり動作について示す。
【００２６】
波長変換素子１０４の位相整合温度は、環境温度より高温であることが好ましく、本実施の形態では、例えば、環境温度を０〜４０℃とした場合、波長変換素子１０４の位相整合温度を、６０℃とする。これにより、常温０〜４０℃の環境下では、波長変換素子１０４の冷却機能を必要とせず、安価なヒーター１０５を波長変換素子１０４の加熱及び冷却部材として用いることが可能となる。
【００２７】
立ち上がり動作では、まず、ヒーター１０５は、波長変換素子１０４を加熱する。また、同時に、制御回路１０３は、半導体レーザ１０１の駆動電流（以降、励起光電流（Ｉ）とする）が最大となるように電流駆動回路１０２を制御する。ここで、励起光電流の最大値（以降、ＩＭＡＸとする）は、所望の波長変換光出力を達成するために通常動作時（素子温度が位相整合温度となったとき）に供給する電流量（以降、Ｉ０とする）より大きく、且つ、半導体レーザ１０１を劣化させず、寿命を短縮させない程度に制限しておくことが望ましい。
【００２８】
例えば、位相整合温度が６０℃、温度の半値全幅が約１．３℃の波長変換素子の場合、励起光電流量（励起光入力）を一定とすると、素子温度に対する波長変換光出力は、図２に示すように、６０℃で最大となり、素子温度が高温側又は低温側にずれるほど、低下する。また、温度が一定の場合、波長変換光出力は、励起光入力のおよそ２乗に比例し、励起光入力は、励起光電流量にほぼ比例する。
【００２９】
立ち上がり動作時は、上記のように、励起光入力がＩ０より大きい。このため、位相整合温度に達する前に、所望の波長変換光出力に達する。制御回路１０３は、フォトダイオード１０９でモニターする波長変換光出力が所望の値に達したところで、立ち上がり動作を終了し、通常動作に移行する。
【００３０】
次に、通常動作について示す。本実施の形態では、通常動作時に、波長変換光出力を一定に保つ出力一定制御と、素子温度を位相整合温度に合わせる温度制御（波長変換素子１０４へ入射する励起光の強度が最小となるように波長変換素子１０４の温度を調整する温度制御）を同時に行なうことを特徴とする。
【００３１】
出力一定制御では、制御回路１０３は、フォトダイオード１０９でモニターする波長変換光出力が一定となるように、電流駆動回路１０２を制御する。すなわち、制御回路１０３は、波長変換光出力が所望の値より低い場合は、励起光電流を増加させて波長変換光出力を所望の値に増加させ、また、波長変換光出力が所望の値より高いとき、励起光電流を減少させて波長変換光出力を所望の値に低下させる。
【００３２】
このように、波長変換光出力が一定となるように励起光電流を増減させた場合、励起光入力は、図３に示すように変化する。本実施の形態では、このように、出力一定制御時に励起光入力と素子温度との関係を利用した温度制御を行なうことで、出力一定制御を停止させることなく、温度制御を同時に行なうことが可能となる。
【００３３】
次に、本実施の形態では、以下で、出力一定制御時に励起光入力を基に行なう温度制御の方法について示す。また、ここで、励起光入力は、光分離ミラー１０６等の透過率及び反射率等を考慮して、フォトダイオード１０９、１１０の値を基に算出する。
【００３４】
本制御では、制御回路１０３は、ヒーター１０５の加熱電流を増加させて、素子温度上昇に伴う励起光入力の増減を基に、ヒーター１０５の加熱電流の増減を判断する。例えば、ヒーター１０５の加熱電流を所定変化量ΔＩＨずつ増加させながら、励起光入力をモニターし、直近３回の励起光入力を記憶させた場合、励起光入力の変化状態は、図４〜図６に示す３つの状態に分類することができる。
【００３５】
図４に示すように、直近３回の励起光入力が単調増加する場合、素子温度が位相整合温度より高温であることが分かる。また、図５に示すように、直近３回の励起光入力が減少の後に増加する場合、素子温度は、位相整合温度付近にあり、位相整合温度より高温であることが分かる。これらの場合、制御回路１０３は、素子温度を低下させるため、加熱電流を減少させる。一方、図６に示すように、直近３回の励起光入力が単調減少する場合は、素子温度が位相整合温度より低温であることが分かる。この場合、制御回路１０３は、素子温度を上昇させるため、加熱電流を増加させる。
【００３６】
ここで、ΔＩＨが大きすぎると、素子温度の変動の幅が増加する。また、ＩＭＡＸ次第で出力一定制御を行なえる温度幅が決まることは言うまでも無く、素子温度の変動幅は、この幅の半分以下にする必要がある。ＩＭＡＸを、Ｉ０の１．５倍とする場合、素子温度を半値全幅上昇させる加熱電流増加量を求め、少なくともΔＩＨをその２分の１以下にすることが必要となり、１０分の１以下にすることが望ましい。これにより、制御時の素子温度のハンチングの幅を軽減し、波長変換効率の平均値を向上させることが可能となる。
【００３７】
また、ヒーター１０５の加熱電流をΔＩＨ増加させた後、素子温度が一定になるまでの時間を制御回路１０３に予め記憶させておき、記憶させた時間ごとに加熱電流量をモニターすることで、制御時の素子温度のハンチングを軽減し、制御速度を速めることが可能となり、平均変換効率を増加させることが可能となる。
【００３８】
また、サーミスタ等を用いて波長変換素子１０４の温度を直接モニターしてもよい。素子温度の変化量ΔＴをΔＩＨの代わりに用いて温度制御することで、より正確な温度制御が可能となるため望ましい。
【００３９】
また、素子温度と位相整合温度とが一致するときに、必要となる励起光入力をＰ０として制御回路１０３に予め記憶させておき、励起光入力がＰ０に近い場合は、素子温度と位相整合温度とを一致させるための温度制御を一旦停止し、ヒーター１０５の加熱電流量を一定にして温度一定制御を行なってもよい。ただし、励起光入力が増加した場合は、温度一定制御から、素子温度を位相整合温度に合わせる温度制御に再び切り替えることが必要となる。また、温度一定制御に切り替える場合も、出力一定制御は並行して行なう。この方法を用いることで、温度一定制御中は、温度一定制御に必要となる制御回路１０３の負荷を軽減することが可能となる。なお、波長変換素子１０４の劣化等が発生すると、Ｐ０は増加するため、制御回路１０３に記憶させるＰ０は、定期的に更新されることが望ましい。
【００４０】
また、所定の閾値を予め決めて、励起光入力がそれ以下の場合は、温度一定制御を行なうとき、閾値をＰ０に近づけることで、温度一定制御中の平均変換効率は更に増加する。しかし、閾値をＰ０に近づけるほど、温度一定制御が行なえる温度の幅が狭くなる。例えば、図３の例では、Ｐ０の１．１倍を閾値とするとき、素子温度が位相整合温度±０．４℃の範囲にあるとき、温度一定制御を行なうことが可能となる。また、閾値がＰ０の１．３倍の場合は、素子温度が位相整合温度±０．５℃の範囲にあるとき、温度一定制御を行なうことが可能となる。なお、使用環境の温度変化の激しさや、使用する励起光光源の種類などによって、使用中の素子温度と位相整合温度との差が変化する程度が異なるため、それに合わせた閾値を設定することが望ましい。
【００４１】
また、本実施の形態では、波長変換光出力を一定とする出力一定制御を用いているため、波長変換素子１０４に入射する励起光入力の増減は、フォトダイオード１１０に入射する励起光出力の増減と一致する。このため、フォトダイオード１１０の値と素子温度との関係も、図３と同様の関係となる。また、励起光光源として半導体レーザを使用する場合、励起光電流量は励起光出力にほぼ比例するため、励起光電流量と素子温度の関係も同様となる。
【００４２】
つまり、出力一定制御時のフォトダイオード１１０に入射する励起光出力や、励起光電流量（励起光光源である半導体レーザ１０１への入力電力）の増減を、励起光入力の代わりに用いて、素子温度を位相整合温度に調節する温度制御を行うことも可能であり、既に示した励起光入力を用いた温度制御と同様の効果を発揮する。また、励起光電流量の増減をモニターして制御を行う場合、フォトダイオードの使用個数を軽減することが可能となり、より安価なレーザ光源を実現することができる。
【００４３】
また、波長変換光出力を励起光入力の２乗で割った値を規格化波長変換効率とすると、規格化波長変換効率は、図２で示した波長変換光出力と同様に、素子温度が位相整合温度に近いほど増加する。また、規格化波長変換効率の増減は、励起光入力、励起光電流量、励起光出力の増減とは逆になるが、励起光入力の増減の影響を受けず、素子温度のみに依存する。このため、前述の励起光入力、励起光電流量、励起光出力と同様に、出力一定制御時に、規格化波長変換効率が最大となるように素子温度を調節する制御を並行して実行することも可能である。この方法についても、既に示した励起光入力を用いた温度制御と同様の効果を発揮する。
【００４４】
また、波長変換素子１０４として、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いることが望ましく、この場合、高効率波長変換が可能となる。また、本実施の形態では、位相整合温度が６０℃となる波長変換素子を例として説明したが、擬似位相整合波長変換素子の場合は、形成する分極周期反転構造の周期を調節することで、任意の位相整合温度で波長変換することが可能となる。
【００４５】
また、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを用いた波長変換素子は、温度変化に対する出力変動量が大きく、励起光や波長変換光を吸収することにより発生する温度変化が原因となって出力変動が発生しやすいが、本実施の形態の制御を用いることで、安定した出力が得られる。
【００４６】
また、位相整合温度を５０℃以上とし、環境温度より高く設定することにより、波長変換素子の入出射面において発生する結露によるレーザの散乱を防ぎ、更に、素子の温度調節部材として、安価なヒーターを使用することが可能となる。
【００４７】
また、ペルチエ素子のように素子温度を低下させる機能を持った温度調節部材を温度制御に使用することが可能であることは言うまでもない。ペルチエ素子を使用することで、素子温度を低下させる速度が増加する。また、環境温度が位相整合温度を超えた場合にも制御が可能となる。
【００４８】
また、本実施の形態では、励起光光源として半導体レーザ１０１を用いたが、ファイバレーザや固体レーザを励起光光源として用いてもよい。これらを励起光光源として用いることにより、ピーク出力が高く、Ｍ２（Ｍ  ｓｑｕａｒｅ）が１．４以下のビーム品質に優れたレーザ光を得ることが可能となり、レーザ加工用途に適したレーザ光源を実現することができる。
【００４９】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図７を用いて、本実施の形態２に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。
【００５０】
図７に示すレーザ光源１００ａは、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、ヒーター１０５、擬似位相整合波長変換素子７０１、光分離コート７０２、光分離ミラー７０３、フォトダイオード７０４、反射防止コート７０５、及びビームストッパー７０６を備える。
【００５１】
半導体レーザ１０１は、実施の形態１と同様、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を生成する。本実施の形態では、励起光が擬似位相整合波長変換素子（以下、適宜「波長変換素子」と略す）７０１に入射する。このとき、波長変換素子７０１の分極方向（図の紙面と直交する方向）と、励起光の偏光方向とは、一致しており、励起光は、分極反転周期に対して平行にすなわち分極反転周期方向（図の左右方向）に沿って入射し、その一部は、波長変換光に変換される。
【００５２】
ここで、波長変換素子７０１の出射端には、光分離コート７０２が設けられている。光分離コート７０２は、励起光を９０％以上反射し、波長変換光を９９．８％以上透過する。また、出射端への励起光の入射角をθ/２°とすることで、図７に示すように、光分離コート７０２で反射する励起光は、波長変換素子７０１内において、分極反転周期に対してθ°の傾きを持って伝搬し、その一部は波長変換光に変換される。以降、最初に入射した励起光の伝搬光路を往路、出射端にて反射した励起光の伝搬光路を復路と呼ぶ。
【００５３】
復路の励起光と、復路の励起光から発生した波長変換光とは、（往路にとっての）入射端から出射する。波長変換素子７０１の入射端を透過する復路の励起光及び波長変換光は、光分離ミラー７０３に入射する。ここで、光分離ミラー７０３は、励起光を反射し、波長変換光を透過する。光分離ミラー７０３を透過する波長変換光は、フォトダイオード７０４に入射し、制御回路１０３は、その出力をモニターする。光分離ミラー７０３にて反射する励起光は、ビームストッパー７０６に入射して停止する。
【００５４】
本実施の形態では、往路で発生する波長変換光が出力光としてレーザ光源１００ａの外部に出射し、このとき、復路で発生する波長変換光を参照光として、制御回路１０３がヒーター１０５を用いて波長変換素子７０１の温度調節を行うことで、出力光の強度を一定に制御することが可能となる。以下に、その方法を示す。
【００５５】
図８は、出力光と参照光とについてそれぞれの温度特性を示す図である。図８の縦軸は、出力光及び参照光の位相整合温度時の出力を１として規格化した出力光及び参照光の強度であり、横軸は、波長変換素子７０１の温度である。図８中の実線が出力光の温度特性８０１を示し、破線が参照光の温度特性８０２を示しており、参照光の温度特性８０２は、出力光の温度特性８０１より低温側へシフトしており、参照光の位相整合温度は、出力光の位相整合温度より低いことが分かる。
【００５６】
擬似位相整合波長変換素子では、光路と分極反転周期方向とがなす角度の絶対値が増加すると、波長変換光の出力が最大となる位相整合温度は低下する。例えば、ニオブ酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いて、波長１０６４ｎｍの励起光からその第２高調波となる波長５３２ｎｍの光に波長変換する場合、図９に示すように、光路と分極反転周期方向とがなす角度θの絶対値が増加すると、波長変換光の出力が最大となる位相整合温度は低下する。本実施の形態では、往路と分極反転周期方向とがなす角度を０°としているため、復路と分極反転周期方向とがなす角度θ＝±１°となるとき、図８のように往路と復路との位相整合温度の差が約０．７℃となる。
【００５７】
このように、本実施の形態では、出力光と位相整合温度が異なる参照光を発生させ、参照光の強度の変動から温度調節を行うことで、出力光の強度の変動から温度調節を行っていた従来に比べて、高速で安定した制御が行える。以下に、従来型の温度調節方法と比較し、本実施の形態の特徴を示す。
【００５８】
まず、特許文献１に示すように、参照光を備えない従来の波長変換素子の温度調節では、出力光の強度を計測し、出力光の温度特性８０１を基に波長変換素子の温度調節を行う。つまり、待機位置８０３にて温度一定制御を行い、素子温度と位相整合温度とのずれが拡大した場合、位相整合温度と素子温度とのずれを解消する温度調節を行なう。
【００５９】
このような従来の温度調節方法では、待機位置８０３から波長変換効率が低下した場合、素子温度が位相整合温度に比べて、高温であるか低温であるかの判断ができない。そのため、一旦素子を加熱又は冷却し、それに応じた波長変換光の出力変動から、素子を加熱すべきか、冷却すべきかを判断する。この方法では、素子温度と位相整合温度とのずれを解消するために必要となる時間が長く、安定した出力が得られない。
【００６０】
このため、待機位置８０４のように、予め位相整合温度より高温側に素子温度を維持する制御方法もある。この方法では、波長変換光の出力が増加（又は減少）した場合、素子温度が低下（又は上昇）していることがわかり、即座に加熱（又は冷却）の判断が可能となる。位相整合温度より低温側を待機位置とした場合も、同様の制御が可能となる。
【００６１】
この方法では、高速な温度調節が可能となり、波長変換光の出力が安定するが、波長変換素子の変換効率を最大限発揮することができない。また、位相整合温度からずれた温度での波長変換では、生成されるビームの品質が低下する。
【００６２】
これらの方法に対して、本実施の形態の温度調節方法では、出力光と異なる位相整合温度で波長変換する参照光の温度特性８０２（例えば、出力光の温度特性８０１より低温側にシフトした参照光の温度特性８０２）を基に波長変換素子１０４の温度を調節する。
【００６３】
まず、本実施の形態では、制御回路１０３は、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの参照光の強度を予め記憶しておく。参照光が予め記憶された値となるように制御回路１０３を用いて温度調節を行うことで、待機位置は、参照光の温度特性８０２における待機位置８０５となる。この位置で待機し、参照光の出力（強度）をモニターすることで、参照光が増加（又は減少）した場合、素子温度が低下（又は上昇）していることがわかり、即座に加熱（又は冷却）の判断が可能となる。
【００６４】
このように、本実施の形態では、参照光の出力を基に温度調節を行なうことで、高速な温度制御が可能となるとともに、高効率で安定した波長変換が可能となる。更に、出力光のビーム劣化も防ぐことが可能となる。
【００６５】
また、本実施の形態では、往路での波長変換にて残った励起光を用いているため、出力光の変換効率を低下させることなく、参照光を得ることが可能である。また、往路での波長変換にて残った励起光を用いているので、往路と復路との励起光波長が一致し、出力光と参照光との位相整合温度の差が変化することを防ぐことが可能となっている。
【００６６】
また、本実施の形態の制御を用いるレーザ光源において、励起光入力を可変とする場合、励起光入力に応じて出力光が位相整合温度となる時の参照光の出力が変わるため、励起光入力と最適参照光の出力との関係を予め記憶させておくことが望ましい。
【００６７】
また、励起光入力が増減しても変動しない規格化波長変換効率を参照光出力の代わりに用いて、温度制御することが更に望ましい。ここで、実施の形態１で示したとおり、規格化波長変換効率は、参照光の出力を励起光出力の２乗で割った値となる。規格化波長変換効率を参照光出力の代わりに用いる場合、復路通過後の励起光をビームストッパー７０６の代わりにフォトダイオードに入射し、その出力をモニターすればよい。
【００６８】
また、波長変換素子７０１として、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いることが望ましく、高効率波長変換が可能となる。本実施の形態では、復路と分極反転周期方向とがなす角度θ＝±１°としたが、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いる場合、復路と分極反転周期方向とがなす角度θは少なくとも、（復路の温度全半値幅）１／２×０．３２°以上、（復路の温度全半値幅）１／２×１．１５°以下であることが望ましい。これによって、復路を用いた温度制御による出力光の安定性が向上し、医療用途に適したレーザ光源を提供することが可能となる。また、更に出力の安定性が求められるディスプレイ用途としては、（復路の温度全半値幅）１／２×０．６５°以上であることが望ましい。また、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを用いた波長変換素子は、励起光や波長変換光を吸収することにより発生する温度変化が原因となり、出力変動が発生しやすいが、本実施の形態に用いることで、安定した出力が得られる。
【００６９】
また、本実施の形態では、擬似位相整合波長変換素子を用いたが、複屈折位相整合の場合においても、励起光の偏向方向と結晶の光軸との角度を変えることで、位相整合温度が変わるため、出力光と異なる位相整合温度の参照光を得ることが可能となり、同様の温度調節が行なえるため、ＬＢＯやＫＴＰなど複屈折位相整合波長変換素子に用いる場合に特に望ましい。
【００７０】
また、擬似位相整合波長変換素子は、その周期を部分的に調節することにより、位相整合温度を自由に調節することが可能であるため、次のような場合に望ましい。例えば、往路と復路との角度が小さいために、光分離ミラー７０３やフォトダイオード７０４の設置が難しい場合は、往路と復路との角度を５°程度と大きくしてもよいが、この場合、図９に示すように、復路の位相整合温度は約４０℃となる。
【００７１】
図１０は、波長変換素子温度と、出力光及び角度の異なる２種類の参照光との関係を示す図である。図１０に示すように、往路と復路との角度を５°に設定した場合の参照光の温度特性１１０２は、出力光の温度特性８０１と重ならず、図８を用いて示したような温度制御ができない。こういった場合に、波長変換素子７０１として擬似位相整合波長変換素子を用いることにより、往路に対して復路部分の分極反転周期を変えることにより、参照光の温度特性１１０２を、出力光の温度特性８０１と重なる参照光の温度特性１１０３に変えることが容易であり、出力光と参照光との温度特性を図８と同様の関係にすることが可能となる。
【００７２】
ただし、往路と復路との角度を５°程度と大きくした場合、図９からも分かるように、角度ずれによる位相整合温度のずれが大きくなる。このため、出力光と参照光との位相整合温度の差が変動しやすくなる。本実施の形態では、出力光の位相整合温度において、参照光の出力が最大出力の１５％以上８５％以下となることが望ましい（理由は後述する）。また、出力光と参照光の位相整合温度の差のばらつきを抑えるため、出射端への励起光の入射角θ／２°のバラツキを抑える必要がある。
【００７３】
図１１は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。図１１に示すレーザ光源１００ｂでは、図７に示すレーザ光源１００ａの波長変換素子７０１が波長変換素子１２０１に変更されており、波長変換素子１２０１は、復路の光路の一部に分極反転周期構造が形成されていない部分ＮＰを有する。
【００７４】
図１１に示すように、復路の光路の一部に分極反転周期構造が形成されていない部分ＮＰを備えた波長変換素子１２０１を用いる場合、図１２に示すように、参照光の温度特性１３０２は、温度依存性が低下し、緩やかな傾斜を有する山形となり、出力光の温度特性８０１に重なる。このように、参照光の温度特性１３０２の温度依存性を低下させて、出力光と参照光との位相整合温度の差の許容度を拡大することが望ましい。
【００７５】
また、素子温度が出力光の位相整合温度となり、出力光の強度が最大となるとき、参照光の出力が参照光の最大出力の１５％以上８５％以下となることが望ましい。１５％以上８５％以下とすることにより、Ｓ／Ｎが十分高く、高精度の温度制御が可能となる。また、３０％以上６０％以下となることがより望ましい。これにより、温度変化に対する参照光の出力変動が十分大きくなるため、高速な温度制御が可能となり、出力変動が更に軽減される。
【００７６】
また、出力光が参照光に混入する場合、混入した光が参照光のノイズとなるため、高精度の温度制御が行えない。そのため、本実施の形態における光分離コート７０２の波長変換光に対する反射率は、５％以下であることが好ましく、この場合、出力光が参照光に混入することを抑制することができる。また、出力光が参照光のノイズとして作用する効果を軽減してＳ／Ｎを高めるため、復路での変換効率を高めることが望ましい。
【００７７】
また、本実施の形態では、波長変換素子７０１等内に２本の励起光の光路（往路及び復路）を形成するため、アライメントが容易なスラブ型導波路を形成している波長変換素子やバルク型（非導波路型）の波長変換素子を用いることが特に望ましい。特に、波長変換光の出力が１０Ｗ以下の場合は、スラブ型導波路を形成した波長変換素子を用いることで、復路の励起光の強度を確保しやすく、復路での励起光から波長変換光への高い変換効率が得られるため、参照光のＳ／Ｎを十分高くすることができる。
【００７８】
また、ニオブ酸リチウム、又はタンタル酸リチウムからなる波長変換素子を用い、１２００ｎｍ以下の波長の励起光を入射し、６００ｎｍ以下の波長の波長変換光に変換する場合、波長変換光の出力が５００ｍＷを超えると、波長変換素子内の光吸収による発熱が往路と復路との間に温度差を発生させる。この温度差が、本実施の形態の制御にとって、ノイズとなるため、ビーム径を拡大することにより、光吸収とそれによる温度上昇との影響を軽減し易いバルク型の波長変換素子を用いることが望ましい。また、バルク型の波長変換素子は、波長変換素子内での伝搬ロスが少ない特徴も有する。
【００７９】
図１３は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。バルク型の波長変換素子の場合、図１３に示すレーザ光源１００ｃを用いて、下記に示す方法を用いることで、復路の波長変換効率を高めて、参照光のＳ／Ｎを高めることが可能となる。
【００８０】
図１３に示すレーザ光源１００ｃでは、擬似位相整合波長変換素子７０１は、励起光及び波長変換光を共に９９％以上透過する反射防止コート７０５、９０１をそれぞれ入射端及び出射端に備え、擬似位相整合波長変換素子７０１に励起光が入射する。出射端を透過する励起光及び波長変換光は、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー９０２に入射し、励起光のみが擬似位相整合波長変換素子７０１に再び入射する。再入射した励起光は、再び波長変換光を生成し、この波長変換光の出力をフォトダイオード７０４が検出し、制御回路１０３は、波長変換光の出力をモニターする。
【００８１】
この場合、光分離ミラー９０２を凹面ミラーとし、光分離ミラー９０２の位置と曲率とを調整することにより、参照光を波長変換素子７０１内で集光することが可能となり、参照光発生効率を大きくすることが可能となる。これにより、出力光による参照光のノイズを軽減し、より正確に参照光出力を検出することが可能となる。
【００８２】
図１４は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源のさらに他の構成を示す模式図である。バルク型の波長変換素子の場合、図１４に示すレーザ光源１００ｄを用いて、下記に示す方法を用いることでも、復路の波長変換効率を高めて、参照光のＳ／Ｎを高めることが可能となる。
【００８３】
図１４に示すレーザ光源１００ｄでは、図１３と同様に、擬似位相整合波長変換素子７０１は、励起光及び波長変換光を共に９９％以上透過する反射防止コート７０５、９０１をそれぞれ入射端、出射端に備え、擬似位相整合波長変換素子７０１に励起光が入射する。擬似位相整合波長変換素子７０１から出射する励起光及び波長変換光は、励起光を透過し且つ波長変換光を反射する光分離ミラー６０１に入射する。光分離ミラー６０１を透過する励起光は、励起光を反射する凹面ミラー６０２にて反射し、励起光は、再び光分離ミラー６０１を通過して擬似位相整合波長変換素子７０１に再入射する。ここで、凹面ミラー６０２は、励起光の発散を抑制するために用いる。また、光分離ミラー６０１に再入射して反射された波長変換光は、ビームストッパー７０７に入射して停止する。
【００８４】
図１４に示すレーザ光源１００ｄでは、波長変換光を反射する光分離ミラー６０１を二度通すことで、励起光と波長変換光とをより完全に分離することが可能となる。そのため、出力光の一部が参照光のノイズとなることを防ぐことが可能となり、波長変換光の出力が数ｍＷ程度の低出力波長変換の場合であっても、高精度な制御が可能となる。また、光分離ミラー６０１と凹面ミラー６０２の間に、波長変換光吸収フィルター６０３を挿入し、往路で発生した波長変換光を吸収させることが尚望ましい。
【００８５】
（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１５を用いて、本発明の実施の形態３に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。
【００８６】
図１５に示すレーザ光源１００ｅでは、実施の形態１、２と同様、半導体レーザ１０１は、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を出力する。また、実施の形態２と同様に、擬似位相整合波長変換素子７０１に励起光を入射し、出力光と参照光とを生成し、参照光の出力をフォトダイオード７０４にてモニターする。また、出力光は、出力光を１％程度反射する光分岐ミラー１００１に入射し、反射した出力光は、励起光吸収フィルター１００２に入射し、混入する励起光を取り除き、透過する出力光のみをフォトダイオード１００３でモニターする。
【００８７】
本実施の形態では、制御回路１０３は、実施の形態１と同様に、モニターする出力光の強度を基に出力一定制御を行い、また、実施の形態２と同様に、参照光を用いた温度制御を行なう。これらの制御により、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、出力が常に安定するとともに、実施の形態２と同様に、素子温度と位相整合温度とが常にほぼ一致する。この結果、位相整合温度とずれた温度にて波長変換する際に発生するビーム劣化を防ぐことが可能となる。
【００８８】
また、本実施の形態では、出力光の強度を一定とするために、励起光光源となる半導体レーザ１０１から生成する励起光の出力を変動させる場合、出力光の位相整合温度時の参照光の出力が変動する。そのため、復路の励起光の出力をモニターすることが望ましい。このため、本実施の形態では、制御回路１０３は、光分離ミラー７０３にて反射する励起光の出力をフォトダイオード１００４にて計測し、計測された励起光の出力と、フォトダイオード７０４で計測される参照光の出力と合算することにより、復路の励起光の出力をモニターすることが可能となり、実施の形態１と同様に、出力一定制御を行うことができる。
【００８９】
また、本実施の形態の場合は、出力光の位相整合温度時の復路における規格化波長変換効率を基に実施の形態２に記載されるような温度制御を行なうことが望ましい。ここで、規格化波長変換効率は、参照光出力を復路の励起光出力の二乗で割った値となる。
【００９０】
（実施の形態４）
図１６は、本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１６を用いて、本発明の実施の形態４に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。
【００９１】
図１６に示すレーザ光源１００ｆは、図１３にて示したレーザ光源１００ｃに、更に、光分離ミラー１４０１、１４０２と、フォトダイオード１４０３とを加えた構成を有する。本実施の形態では、図１６の復路で励起光の一部が波長変換光に変換された後、波長変換光及び励起光は、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー１４０１に入射する。光分離ミラー１４０１を透過する波長変換光は、実施の形態２と同様に、フォトダイオード７０４に入射し、その出力が第１の参照光の出力としてモニターされる。
【００９２】
一方、光分離ミラー１４０１にて反射された励起光は、再び波長変換素子７０１に入射する。以降、半導体レーザ１０１から入射した励起光の波長変換素子７０１内の光路を第１の往路とし、光分離ミラー１４０１で反射した励起光の波長変換素子７０１内の光路を第２の往路とする。第２の往路にて、励起光の一部は、波長変換光に変換され、波長変換素子７０１を出射した後、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー１４０２に入射する。光分離ミラー１４０２を透過した波長変換光の出力は、第２の参照光としてフォトダイオード１４０３にてモニターされる。また、光分離ミラー１４０２にて反射された励起光は、ビームストッパー７０６に入射して停止する。
【００９３】
ここで、本実施の形態では、例えば、波長変換素子７０１の分極反転周期方向と、第１の往路、復路及び第２の往路とがなす角度が、それぞれ、１．００°、１．４４°、０．００°となるように、光分離ミラー９０２、１４０１及び波長変換素子７０１の角度が調節されている。これにより、図１７に示すように、第１の参照光の温度特性１５０２（図中の破線）と第２の参照光の温度特性１５０３（図中の一点鎖線）とは、出力光の温度特性１５０１（図中の実線）の低温側と高温側とにそれぞれ０．７℃シフトして重なる。
【００９４】
本実施の形態では、第１の参照光及び第２の参照光の出力をモニターし、出力光が最大となるように波長変換素子７０１をヒーター１０５にて加熱又は冷却する。例えば、出力光の強度が最大となる波長変換素子温度にて、第１の参照光と第２の参照光との出力比を予め計測し、制御回路１０３は、この出力比を予め記憶し、第１の参照光と第２の参照光との出力比が予め記憶している値に近づくように、波長変換素子７０１の温度を調節する。図１７に示した例の場合、制御回路１０３は、予め記憶させた値より出力比（第１の参照光の出力／第２の参照光の出力）が大きい場合に、波長変換素子７０１の温度を増加させ、小さい場合に、波長変換素子７０１の温度を減少させる制御を行う。
【００９５】
このように、本実施の形態では、出力比（第１の参照光の出力／第２の参照光の出力）を基に、波長変換素子７０１の温度制御を実施するため、往路での波長変換効率や、往路にて変換されなかった励起光の出力が変動した場合でも、高精度に温度制御を実施することが可能となる。
【００９６】
また、波長変換素子７０１として、実施の形態２と同様に、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする擬似位相整合波長変換素子を用いることが望ましく、高効率波長変換が可能となる。また、擬似位相整合波長変換素子は、分極反転周期構造の周期を部分的に調節したり、部分的に分極反転周期構造の無い部分を形成したりすることが容易であるため、第１の参照光及び第２の参照光の位相整合温度や温度許容幅を自由に調節することが可能となる。また、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを用いた波長変換素子は、励起光や波長変換光を吸収することにより発生する温度変化が原因となり、出力変動が発生し易いが、本実施の形態に用いることで、安定した出力が得られる。
【００９７】
また、複屈折位相整合の場合においても、励起光の偏向方向と結晶の光軸との角度を変えることで、位相整合温度が変わるため、出力光と異なる位相整合温度の第１の参照光及び第２の参照光を得ることが可能となり、同様の温度調節が行なえる。特に、高出力波長変換特性に優れたＬＢＯや安価なＫＴＰなど複屈折位相整合波長変換素子に用いる場合に、本実施の形態が有益となる。
【００９８】
また、素子温度が出力光の位相整合温度となり、出力光の強度が最大となるときに、第１の参照光及び第２の参照光の出力がそれぞれの最大値の１５％以上８５％以下となることが望ましい。１５％以上８５％以下とすることにより、Ｓ／Ｎが十分高く、高精度の温度制御が可能となる。また、３０％以上６０％以下となることがより望ましい。これにより、温度変化に対する第１の参照光及び第２の参照光の出力変動が十分大きくなるため、高速な温度制御が可能となり、出力光の出力変動が更に軽減される。
【００９９】
また、出力光が第１の参照光及び第２の参照光に混入する場合や、第１の参照光が第２の参照光に混入する場合、高精度の温度制御が行えない。そのため、本実施の形態における光分離ミラー９０２、１４０１の波長変換光反射率を５％以下に設定して、混入を防止することが望ましい。
【０１００】
また、本実施の形態のレーザ光源１００ｆでは、波長変換素子７０１内に３本の励起光の光路（第１の往路、復路及び第２の往路）を形成するため、アライメントが容易なスラブ型導波路を形成している波長変換素子やバルク型（非導波路型）の波長変換素子を用いることが特に望ましい。特に、波長変換光出力が１０Ｗ以下の場合は、スラブ型導波路を形成した波長変換素子を用いることで、復路の励起光の強度を確保しやすく、復路での励起光から波長変換光への高い変換効率が得られるため、第１の参照光及び第２の参照光のＳ／Ｎを十分高くすることができる。
【０１０１】
また、ニオブ酸リチウム、又はタンタル酸リチウムからなる波長変換素子を用い、１２００ｎｍ以下の波長の励起光を入射し、６００ｎｍ以下の波長の波長変換光に変換する場合、波長変換光出力が５００ｍＷを超えると、波長変換素子内の光吸収による発熱が第１の往路、復路及び第２の往路との間に温度差を発生させる。この温度差が、本実施の形態の制御にとって、ノイズとなるため、ビーム径を拡大することで光吸収とそれによる温度上昇との影響を軽減しやすいバルク型の波長変換素子を用いることが望ましい。
【０１０２】
また、バルク型の波長変換素子の場合、光分離ミラー９０２、１４０１の曲率を調節することで、復路及び第２の往路の波長変換効率を高めることが可能となり、第１の参照光及び第２の参照光のＳ／Ｎを高めることが可能となる。
【０１０３】
また、本実施の形態の他の構成として、図１８に示すような構成も考えられる。図１８は、本発明の実施の形態４に係るレーザ光源の他の構成を示す模式図である。
【０１０４】
図１８に示すレーザ光源１００ｇでは、半導体レーザ１０１から出射する励起光が波長変換素子７０１に入射し、その一部が波長変換光に変換された後、凹面ミラー１９０４、１９０１を用いて、励起光のみが二つの第１の励起光及び第２の励起光に分岐され、波長変換素子７０１に再び入射する。ここで、例えば、凹面ミラー１９０４は、波長変換光を９９％以上透過し、励起光を５０％程度反射して第１の励起光を出射し、凹面ミラー１９０１は、波長変換光を９９％以上透過し、励起光を９９％以上反射して第２の励起光を出射する。
【０１０５】
これら二つの第１及び第２の励起光は、それぞれ波長変換素子７０１内にて第１及び第２の波長変換光に変換され、第１及び第２の波長変換光は、励起光を反射し且つ波長変換光を透過する光分離ミラー７０３、１９０２を経て、フォトダイオード７０４、１９０３にて第１及び第２の参照光としてモニターされる。また、光分離ミラー７０３、１９０２にて反射された励起光は、ビームストッパー７０６、７０７に入射して停止する。
【０１０６】
ここで、本実施の形態では、図１６で示した例と同様に、例えば、波長変換素子７０１の分極反転周期方向と、半導体レーザ１０１から出射した励起光（往路）、並びに凹面ミラー１９０４、１９０１にて反射させた第１及び第２の励起光（第１及び第２の復路の２本）とがなす角度が、それぞれ、１．００°（＝θ２）、１．４４°（＝θ２＋θ１）、０．００°となるように、凹面ミラー１９０４、１９０１及び波長変換素子７０１の角度が調節されている。したがって、図１８に示す例でも、図１６で示した例と同様の効果を発揮することが可能となることは言うまでもない。また、本構成では、二つの復路の励起光の出力比が一定となるため、二つの参照光の出力比から温度制御を行う精度が向上し、より高効率で安定な出力光を得ることが可能となる。
【０１０７】
（実施の形態５）
図１９は、本発明の実施の形態５に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図１９を用いて、本発明の実施の形態５に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。
【０１０８】
図１９に示すレーザ光源１００ｈは、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、ヒーター１０５、回折光学素子１６０１、励起光吸収フィルター１６０２、１６０３、フォトダイオード１６０４、１６０５、擬似位相整合波長変換素子１６０６、及び反射防止コート７０５、１６０７を備える。
【０１０９】
半導体レーザ１０１は、実施の形態２と同様、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を生成する。本実施の形態では、励起光は、まず、回折光学素子１６０１に入射し、主光路１６０８、２本の副光路１６０９、１６１０の３方向に分岐する。ここで、主光路１６０８、副光路１６０９、１６１０の励起光のパワー比を例えば、９８：１：１とする。
【０１１０】
分岐後の励起光の出力の９８％を占める最も出力の大きな主光路１６０８の励起光が波長変換素子１６０６に入射し、その一部が波長変換光に変換され、出力光としてレーザ光源１００ｈの外部に出射される。副光路１６０９、１６１０の励起光は、波長変換素子１６０６に入射し、その一部が波長変換光に変換される。副光路１６０９、１６１０の波長変換光は、それぞれ励起光吸収フィルター１６０２、１６０３を通して、フォトダイオード１６０４、１６０５にて、その出力を参照光の出力として計測される。ここで、励起光吸収フィルター１６０２、１６０３は、励起光を吸収して波長変換光を透過する。
【０１１１】
本実施の形態では、擬似位相整合波長変換素子１６０６の分極反転周期を部分（主光路１６０８の励起光が通過する中間部、副光路１６０９の励起光が通過する上部及び副光路１６１０の励起光が通過する下部）毎に変えることで、主光路１６０８、副光路１６０９、１６１０での温度特性をそれぞれ図１７の温度特性１５０１、１５０３、１５０２のような関係にすることが可能となる。つまり、実施の形態４と同様の制御が可能となる。
【０１１２】
本実施の形態は、主光路と副光路とに入射する励起光パワーの比が一定となるため、励起光の出力変動が大きい場合にも、高精度な温度制御が可能となる。また、波長変換素子１６０６の入出射面には、励起光及び波長変換光の反射を防止する反射防止コート７０５、１６０７を備えることで、フォトダイオード１６０４、１６０５に副光路１６０９、１６１０から生成した波長変換光以外の意図しない波長変換光の入射を防ぐことが可能となる。これにより、高精度な制御が可能となる。
【０１１３】
なお、本実施の形態では、副光路が二本の場合について示したが、副光路は一本以上であればよい。ただし、二本以上となることにより、実施の形態４と同様に、二つの参照光の出力比を基に制御回路１０３及びヒーター１０５を用いた温度制御が可能となり、より高精度な温度制御が可能となる。
【０１１４】
また、本実施の形態では、部分ごとに分極反転周期が異なる波長変換素子を用いたが、実施の形態４と同様に、主光路及び二本の副光路と分極反転周期との角度を調整する方法を用いてもよい。分極反転周期を変えることにより位相整合温度を変える方法に比べて、それぞれの光路と分極反転周期との角度を変えることにより位相整合温度を変える方法は、高精度に位相整合温度を調節することが可能となる。
【０１１５】
但し、角度の差が小さすぎて、それぞれの光路からの波長変換光を分離することが難しい場合は、実施の形態２で示したように、それぞれの光路における分極反転周期と、分極反転周期方向に対する角度との両方を調節する方法を用いることが、より望ましい。光源のサイズにもよるが、主光路と副光路との角度が１０°以下となるとき、これに該当する。
【０１１６】
（実施の形態６）
図２０は、本発明の実施の形態６に係るレーザ光源の構成を示す模式図である。以下、図２０を用いて、本発明の実施の形態６に係る、波長変換装置として機能するレーザ光源について説明する。
【０１１７】
図２０に示すレーザ光源１００ｉは、半導体レーザ１０１、電流駆動回路１０２、制御回路１０３、ヒーター１０５、擬似位相整合波長変換素子１７０１、光反射コート１７０２、光分離コート１７０３、光分岐ミラー１７０４、１７０５、及びフォトダイオード１７０６、１７０７を備える。
【０１１８】
半導体レーザ１０１は、実施の形態２と同様、電流駆動回路１０２からの電流で励起光を生成する。本実施の形態では、励起光は、擬似位相整合波長変換素子１７０１に入射し、擬似位相整合波長変換素子１７０１の両端面に形成された光反射コート１７０２と光分離コート１７０３との間で複数回反射して、複数の光路を形成する。ここで、光反射コート１７０２は、励起光及び波長変換光を共に反射し、光分離コート１７０３は、励起光を反射し、波長変換光を透過する。このため、各光路にて発生する波長変換光は、光分離コート１７０３を形成した端面から出射する。出射した波長変換光の一部は、光分岐ミラー１７０４、１７０５にて分岐され、フォトダイオード１７０６、１７０７に入射し、その出力がモニターされる。
【０１１９】
本実施の形態のレーザ光源１００ｉでは、擬似位相整合波長変換素子１７０１の分極反転周期を光路毎に変えることで（例えば、上部から下部に移行するに従って分極反転周期を狭くすることで）、各光路の位相整合温度を少しずつずらしている。この結果、図２１に示すように、出力光の全パワーの温度特性１８０１は、４０℃から６０℃まで安定した温度特性となるので、温度変化に対する出力の変化が軽減され、温度変化が激しい環境下でも、出力の安定したレーザ光源を実現することが可能となる。
【０１２０】
但し、全パワーの温度特性１８０１が４０℃から６０℃までほぼフラットな特性となるため、４０℃から６０℃の間では、擬似位相整合波長変換素子１７０１の温度を、出力光の値から予測することができず、加熱又は冷却の判断ができない。そこで、本実施の形態では、最も位相整合温度が低い光路と、最も位相整合温度が高い光路とから生成した波長変換光の一部を参照光として、それぞれフォトダイオード１７０６、１７０７に入射し、その出力をモニターしている。図２１に示すように、フォトダイオード１７０６、１７０７に入射する参照光の温度特性１８０２、１８０３は、それぞれ４０℃と６０℃で最大となる。つまり、これらの出力をモニターすることで、出力光が低下し始める４０℃以下や６０℃以上となる前に、擬似位相整合波長変換素子１７０１の加熱又は冷却の判断が可能となる。
【０１２１】
また、本実施の形態では、波長変換素子１７０１内の励起光の光路が長いため、回折によってレーザのビーム径が拡大し、波長変換効率が低下する。このため、波長変換素子１７０１として、スラブ導波路型の波長変換素子を用いることが望ましく、これによって、一方向の回折の効果を軽減することができるので、高い波長変換効率が得られる。
【０１２２】
また、実施の形態１〜６の構成において、波長変換素子内の複数の光路がそれぞれヒーター（波長変換素子の温度調節部材）から同程度の距離であることが望ましいため、実施の形態１〜６のヒーターは、各図の紙面と平行な波長変換素子の側面（裏面）に配置されている。これにより、光路間の温度差が軽減され、温度制御の制度が向上する。なお、ヒーターを配置する面は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。
【０１２３】
（実施の形態７）
図２２は、本発明の実施の形態７に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。
【０１２４】
図２２に示すように、本実施の形態の画像表示装置２０１０は、複数のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃと、複数のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃからのレーザビームを走査する複数の走査部２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃと、を備えている。そして、光源には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃを用いた。赤色レーザ光源（Ｒ光源）２００１ａには、波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置を、青色レーザ光源（Ｂ光源）２００１ｃには、波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。また、緑色レーザ光源（Ｇ光源）２００１ｂには、実施の形態１〜６のうちのいずれかのレーザ光源を用い、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する波長変換装置として使用している。
【０１２５】
画像表示装置２０１０のＲ、Ｇ、Ｂの各光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃから出射されたレーザビームは、集光レンズ２００９ａ、２００９ｂ、２００９ｃにより集光された後、走査部を構成する反射型２次元ビーム走査部２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃにより拡散板２００３ａ、２００３ｂ、２００３ｃ上を走査される。画像データはＲ、Ｇ、Ｂそれぞれのデータに分割されており、各データに対応する信号が空間変調素子２００５ａ、２００５ｂ、２００５ｃに入力される。拡散板２００３ａ、２００３ｂ、２００３ｃからのレーザビームは、フィールドレンズ２００４ａ、２００４ｂ、２００４ｃで絞られ、空間変調素子２００５ａ、２００５ｂ、２００５ｃに入力して画像データに応じて変調された後、ダイクロイックプリズム２００６で合波することにより、カラー画像が形成される。このように合波した画像は、投射レンズ２００７によりスクリーン２００８に投影される。
【０１２６】
ただし、Ｇ光源２００１ｂから空間変調素子２００５ｂに入射する光路中には、空間変調素子２００５ｂでのＧ光のスポットサイズをＲ光やＢ光と同じにするための凹レンズ２００９が挿入されている。また、Ｇ光源２００１ｂは、実施の形態１〜６で示したＧ光源に集光レンズ（図示せず）などの光学部品を付加して、出力光のマルチビームが集光されることにより、反射型２次元ビーム走査部２００２ｂで走査しやすいようにしている。また、反射型２次元ビーム走査部２００２ａ、２００２ｃと拡散板２００３ａ、２００３ｃとの間には、ミラー２０１１ａ、２０１１ｃが配置されている。
【０１２７】
このように、本実施の形態の画像表示装置２０１０において、Ｇ光源２００１ｂは、実施の形態１〜６で示したＧ光源を用いている。すなわち、画像表示装置２０１０は、スクリーン２００８と、複数のレーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃと、レーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃからのレーザビームを走査する走査部２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃとを備え、レーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃは、少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなり、レーザ光源２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃのうち、少なくとも緑色の光源（Ｇ光源）２００１ｂは、実施の形態１〜６のいずれかのレーザ光源を用いている。
【０１２８】
このような構成とすることにより、色再現性に優れ、低消費電力の安定した画像表示装置を実現することができる。また、本実施の形態の画像表示装置２０１０の構成からスクリーン２００８を省き、直接網膜に画像を形成してもよい。こうすることにより、低消費電力で小型、且つ、広画角な画像表示が可能となる。
【０１２９】
（実施の形態８）
図２３は、本発明の実施の形態８に係る画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。本実施の形態では、画像表示装置の一例として、液晶表示装置２１０６の模式的な構成を示し、液晶表示装置２１０６は、実施の形態１〜６のうちのいずれかのレーザ光源をＧ光源として含むバックライト照明装置２１０１を用いている。
【０１３０】
図２３に示すように、液晶表示装置２１０６は、空間変調素子である液晶表示パネル２１０７と、液晶表示パネル２１０７を背面側から照明するバックライト照明装置２１０１と、を備えて構成されている。そして、バックライト照明装置２１０１の光源は、レーザ光源２１０２から構成され、レーザ光源２１０２は、少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射するＲ光源２１０２ａ、Ｇ光源２１０２ｂ及びＢ光源２１０２ｃを含む。すなわち、Ｒ光源２１０２ａ、Ｇ光源２１０２ｂ及びＢ光源２１０２ｃは、それぞれ赤色、緑色及び青色のレーザ光を出射する。レーザ光源２１０２のうちＧ光源２１０２ｂは、実施の形態１〜６で示したレーザ光源からなるＧ光源を用いて構成される。
【０１３１】
ここでは、Ｒ光源２１０２ａには、波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置を、青色レーザ光源（Ｂ光源）２１０２ｃには、波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。また、緑色レーザ光源（Ｇ光源）２１０２ｂには、実施の形態１〜６において示したうちのいずれかのレーザ光源を用い、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する波長変換装置として使用している。
【０１３２】
次に、本実施の形態の液晶表示装置２１０６の構成について具体的に説明する。本実施の形態における液晶表示装置２１０６は、バックライト照明装置２１０１と、このバックライト照明装置２１０１から出射されるＲ光、Ｇ光及びＢ光のレーザ光を利用して画像表示を行う偏光板２１０８及び液晶板２１０９から構成される液晶表示パネル２１０７とからなる。
【０１３３】
バックライト照明装置２１０１は、Ｒ光源２１０２ａ、Ｇ光源２１０２ｂ及びＢ光源２１０２ｃからのＲ光、Ｇ光及びＢ光のレーザ光をまとめて導光部２１０４を介して導光板２１０５に導く光ファイバ２１０３と、導入したＲ光、Ｇ光及びＢ光のレーザ光で均一に満たされて主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板２１０５とから構成されている。なお、Ｇ光源２１０２ｂは、実施の形態１〜６で示したレーザ光源に集光レンズ（図示せず）などの光学部品を付加して、出力光のマルチビームが光ファイバ２１０３に集光されて導光板２１０５に導かれるようにしている。
【０１３４】
したがって、本実施の形態でも、色再現性に優れ、低消費電力の安定した画像表示装置を実現することができる。なお、上記の説明では、レーザ光源を用いた画像表示装置として、透過型の液晶パネルを空間変調素子として用いた液晶表示装置について示したが、ＤＭＤミラーや反射型ＬＣＯＳを空間変調素子に用いたプロジェクタなどの画像表示装置であっても、同様の効果を発現することは言うまでもない。
【０１３５】
（実施の形態９）
図２４は、本発明の実施の形態９に係るレーザ加工装置の構成の一例について示す概略構成図である。ここで、レーザ加工装置は、実施の形態１〜６のうちのいずれかのレーザ光源を用いている。
【０１３６】
図２４に示すように、レーザ加工装置２２０１は、レーザ光源２２０２、スキャンミラー２２０３、及びステージ２２０４から構成され、サンプル２２０５を加工する。レーザ光源２２０２は、実施の形態１〜６のいずれかに示したレーザ光源からなり、レーザ光源２２０２から出射したレーザ光をスキャンミラー２２０３で反射させてサンプル２２０５に照射することで、サンプル２２０５上のレーザ照射位置をＹ軸方向に移動させる。同時に、サンプル２２０５を載せたステージ２２０４をＸ軸方向に移動させることで、サンプル２２０５上のレーザ照射位置はＸ軸方向に移動する。
【０１３７】
このような構成で、例えば、レーザ光源２２０２をパルス発振させて任意のレーザ照射位置にレーザ光を照射することで、サンプル２２０５の表面上に任意のパターンのマーキングを施すことが可能となる。また、サンプル２２０５を水槽内に設置し、上記と同様に、サンプル２２０５表面上に向けてレーザをパルス照射することで、レーザピーニングなどに応用することも可能となる。
【０１３８】
このように、実施の形態１〜６のレーザ光源は、安定したビーム品質が高いレーザ光を生成することが可能であり、レーザマーキングやレーザピーニングなど、レーザ加工装置に用いる光源として望ましい。
【０１３９】
また、レーザピーニングには、波長変換光として４４１ｎｍ以上５９２ｎｍ以下の波長の光を生成するレーザ光源を用いることが望ましく、これにより、水がレーザ光を吸収することで蒸発することを防ぎ、サンプル２２０５の照射面での高いレーザピーニング効果を発現することが可能となる。
【０１４０】
本実施の形態では、スキャンミラーを用いたレーザ走査型の加工装置について述べたが、これは、レーザ光源を用いた加工装置の一例であり、例えば、レーザ光源にて生成したレーザ光をファイバに入射させて、ファイバの反対面（出射端）を向けた任意の照射面にレーザ光を照射する構成の加工装置としてもよい。このような構成とすることにより、手術用のレーザ加工装置を実現することが可能となる。
【０１４１】
また、波長変換にて生成した波長変換光をファイバに入射して用いる場合、ファイバに入射する際の挿入損失を軽減するため、Ｍ２（Ｍ  ｓｑｕａｒｅ）が１．４以下のビーム品質に優れたレーザ光源であることが望ましい。
【０１４２】
また、本明細書にて、各実施の形態に示した構成は一例であって、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることは言うまでもない。
【０１４３】
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、本発明に係るレーザ光源は、励起光光源と、前記励起光光源からの励起光が通過する複数の光路を有し、前記複数の光路を通過する励起光を波長変換光に変換することにより、第１の温度特性を有し且つ装置外部へ出射される出力光と、前記第１の温度特性と異なる第２の温度特性を有する参照光とを生成する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、前記参照光を計測する参照光計測部と、前記参照光計測部により計測された参照光を基に前記波長変換素子の温度を制御する制御部とを備える。
【０１４４】
このレーザ光源においては、波長変換素子内に励起光が通過する複数の光路が形成され、レーザ光源の外部へ出力される波長変換光となる出力光と異なる温度特性を示す参照光をモニターして波長変換素子を温度制御しているので、参照光の強度は出力光の強度が最大になる素子温度で傾斜部分を有し、この傾斜部分を用いて波長変換素子の温度を制御することにより、出力光の強度が最大になる素子温度付近において高速な温度制御が可能となり、従来、温度制御中に発生していた出力変動を大幅に軽減することができるとともに、出力を安定化することができる。
【０１４５】
前記出力光は、第１の素子温度で最大値となる第１の温度特性を有し、前記参照光は、前記第１の素子温度と異なる第２の素子温度で最大値となる第２の温度特性を有し、前記参照光の強度は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度で、前記参照光の最大値の１５％以上８５％以下となることが好ましく、前記参照光の最大値の３０％以上６０％以下となることがより好ましい。
【０１４６】
前者の場合、Ｓ／Ｎが十分高く、高精度の温度制御が可能となり、また、後者の場合、温度変化に対する参照光の出力変動が十分大きくなるため、高速な温度制御が可能となり、出力変動が更に軽減される。
【０１４７】
前記制御部は、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における前記参照光の強度を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光の強度が記憶している参照光の強度になるように、前記波長変換素子の温度を調整することが好ましい。
【０１４８】
この場合、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの参照光の強度を予め記憶し、参照光が予め記憶された値となるように温度調節しているので、参照光の出力をモニターすることにより、即座に加熱又は冷却の判断が可能となる。この結果、高速な温度制御が可能となるとともに、高効率で安定した波長変換が可能となり、また、出力光のビーム劣化も防ぐことが可能となる。
【０１４９】
前記制御部は、前記参照光計測部により計測された参照光から前記波長変換素子の規格化波長変換効率を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における規格化波長変換効率を予め記憶し、前記参照光計測部により計測された参照光から算出した規格化波長変換効率が記憶している規格化波長変換効率になるように、前記波長変換素子の温度を調整するようにしてもよい。
【０１５０】
この場合、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの規格化波長変換効率を予め記憶し、規格化波長変換効率が予め記憶された値となるように温度調節しているので、規格化波長変換効率をモニターすることにより、即座に加熱又は冷却の判断が可能となる。この結果、高速な温度制御が可能となるとともに、高効率で安定した波長変換が可能となり、また、出力光のビーム劣化も防ぐことが可能となる。さらに、規格化波長変換効率の増減は、励起光の入力の増減の影響を受けず、素子温度のみに依存するので、温度制御を高精度に行うことができる。
【０１５１】
前記参照光計測部は、第１の素子温度より低温で最大値となる低温側シフト温度特性を有する第１の参照光を計測する第１の参照光計測部と、前記第１の素子温度より高温で最大値となる高温側シフト温度特性を有する第２の参照光を計測する第２の参照光計測部とを含み、前記制御部は、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光の出力比を算出するとともに、前記出力光の強度が最大値となる素子温度における第１及び第２の参照光の出力比を予め記憶し、前記第１及び第２の参照光計測部により計測された第１及び第２の参照光から算出した出力比が記憶している出力比になるように、前記波長変換素子の温度を調整するようにしてもよい。
【０１５２】
この場合、素子温度が出力光の位相整合温度となるときの第１参照光と第２参照光との出力比を予め記憶し、予め記憶させた値より出力比が大きい場合に波長変換素子の温度を増加させ、小さい場合に波長変換素子の温度を減少させる制御を行うことができるので、複数の励起光の光路のうち往路での波長変換効率や、往路にて変換されなかった励起光の出力が変動した場合でも、高精度に温度制御を実施することが可能となる。
【０１５３】
上記レーザ光源は、前記出力光の一部を計測する出力光計測部をさらに備え、前記制御部は、前記出力光計測部により計測された出力光を基に、装置外部へ出力される前記出力光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御することが好ましい。
【０１５４】
この場合、出力光の強度を基に出力一定制御を行うとともに、参照光を用いた温度制御を行っているので、出力が常に安定するとともに、素子温度と位相整合温度とが常にほぼ一致し、位相整合温度とずれた温度にて波長変換する際に発生するビーム劣化を防ぐことが可能となる。
【０１５５】
上記レーザ光源は、前記波長変換素子から出射される励起光を計測する励起光計測部をさらに備えることが好ましい。
【０１５６】
この場合、計測された励起光の出力と、計測された参照光の出力と合算することにより、複数の励起光の光路のうち復路の励起光の出力をモニターすることができるので、出力一定制御を高精度に行うことができる。
【０１５７】
前記波長変換素子は、バルク型波長変換素子であることが好ましい。
【０１５８】
この場合、ビーム径を拡大することにより、光吸収とそれによる温度上昇との影響を軽減することができるとともに、波長変換素子内での伝搬ロスを少なくすることができる。
【０１５９】
前記波長変換素子は、スラブ導波路型波長変換素子であってもよい。
【０１６０】
この場合、波長変換光の強度が１０Ｗ以下のとき、複数の励起光の光路のうち復路の励起光の強度を確保しやすく、復路での励起光から波長変換光への高い変換効率が得られるため、参照光のＳ／Ｎを十分高くすることができる。
【０１６１】
前記波長変換素子は、擬似位相整合波長変換素子であることが好ましい。
【０１６２】
この場合、分極反転周期構造の周期を部分的に調節したり、部分的に分極反転周期構造の無い部分を形成したりすることが可能であるため、複数の参照光の位相整合温度や温度許容幅を自由に調節することが可能となる。
【０１６３】
前記波長変換素子の前記参照光を生成する励起光の光路における分極反転周期は、前記出力光を生成する励起光の光路における分極反転周期と異なることが好ましい。
【０１６４】
この場合、温度特性の異なる出力光及び参照光を容易に生成することができる。
【０１６５】
前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウム、又は、タンタル酸リチウムを主とする非線形光学結晶からなることが好ましい。この場合、高効率な波長変換が可能となる。
【０１６６】
本発明に係る他のレーザ光源は、励起光光源と、前記励起光光源からの励起光を波長の異なる波長変換光に変換する非線形光学結晶からなる波長変換素子と、前記波長変換素子から出射する波長変換光の一部を出力光として計測する出力光計測部と、前記出力光計測部により計測された出力光を基に前記波長変換光の強度が一定になるように前記励起光光源を制御する出力一定制御と、前記波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように前記波長変換素子の温度を調整する温度制御とを同時に行う制御部とを備える。
【０１６７】
このレーザ光源においては、波長変換光の出力を励起光光源にフィードバックする出力一定制御中に、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように温度制御を行っているので、出力一定制御を停止させずに、素子温度の位相整合温度とのずれを解消することが可能となる。この結果、出力の激しい変動が発生しないため、頻繁に温度制御を行なうことが可能となり、常に高い波長変換効率を維持することができるとともに、常に最適温度での波長変換を行うため、波長変換光のビーム劣化も少ない。また、励起光光源に半導体レーザを使用する場合は、駆動電流を軽減することが可能となり、半導体レーザの性能が低下し又は寿命が短くなることを抑制することが可能となる。
【０１６８】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うことが好ましい。
【０１６９】
この場合、励起光をモニターし、波長変換素子へ入射する励起光の強度が最小となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。
【０１７０】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子の規格化波長変換効率が最大となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うようにしてもよい。
【０１７１】
この場合、規格化波長変換効率が最大となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。また、規格化波長変換効率の増減は、励起光の入力の増減の影響を受けず、素子温度のみに依存するので、温度制御を高精度に行うことができる。
【０１７２】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記波長変換素子から出射する励起光の強度が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うようにしてもよい。
【０１７３】
この場合、波長変換素子から出射する励起光の強度が最小となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。
【０１７４】
前記制御部は、前記出力一定制御と、前記励起光光源の入力電力が最小となるように前記波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御とを同時に行うようにしてもよい。
【０１７５】
この場合、励起光光源の入力電力が最小となるように波長変換素子を加熱又は冷却する温度制御を行っているので、波長変換光の強度が一定となるように励起光光源への入力電力を調節する出力一定制御を停止させることなく、波長変換素子の温度が位相整合温度に近づくように波長変換素子の温度を調整することができる。
【０１７６】
前記制御部は、前記波長変換素子の温度が位相整合温度であるときに、所望の波長変換光が得られる、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうち制御に使用する値を予め記憶することが好ましい。
【０１７７】
この場合、制御値が予め記憶された値となるように温度調節を行うことができるので、高速な温度制御が可能となる。
【０１７８】
前記制御部は、前記波長変換素子へ入射する励起光の強度、前記波長変換素子の規格化波長変換効率、前記波長変換素子から出射する励起光の強度、及び前記励起光光源への入力電力のうちのいずれかが、予め設定した閾値条件を満たす場合に、前記温度制御から、前記波長変換素子の温度を一定に制御する温度一定制御に切り替えることが好ましい。
【０１７９】
この場合、温度一定制御中は、温度一定制御に必要となる制御部の負荷を軽減することが可能となる。
【０１８０】
前記制御部は、前記励起光光源への入力電力に上限を持たせて制御することが好ましい。
【０１８１】
この場合、励起光光源の劣化を防止し、励起光光源の寿命を長くすることができる。
【０１８２】
前記波長変換素子は、分極反転周期構造を形成した非線形光学結晶であり、前記波長変換素子の位相整合温度は、環境温度より高温であることが好ましい。
【０１８３】
この場合、常温の環境下では、波長変換素子の冷却機能を必要とせず、安価なヒーター等を波長変換素子の加熱及び冷却部材として用いることが可能となる。
【０１８４】
前記レーザ光源より出射するレーザ光のＭ２は、１．４以下であることが好ましい。
【０１８５】
この場合、ビーム品質に優れたレーザ光を得ることができるので、レーザ加工用途に適したレーザ光源を実現することができる。
【０１８６】
本発明に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源と、空間変調素子と、前記レーザ光源から出射する光を前記空間変調素子に導く光学系とを備え、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、上記いずれかに記載されたレーザ光源である。
【０１８７】
本発明に係る他の画像表示装置は、複数のレーザ光源と、走査部と、前記複数のレーザ光源から出射する光を前記走査部に導く光学系とを備え、前記走査部は、前記光学系により導かれた複数のレーザ光源からの光を走査し、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色のレーザ光源を含み、前記複数のレーザ光源のうち、少なくとも緑色のレーザ光源は、上記いずれかに記載されたレーザ光源である。
【０１８８】
これらの画像表示装置においては、上記の制御を実施するレーザ光源をディスプレイ用として用いているので、ホワイトバランスの変動が少なく且つ低消費電力の画像表示装置を実現することができる。
【０１８９】
本発明に係る他の加工装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射するレーザ光を加工対象に導く光学系とを備え、前記レーザ光源は、上記いずれかに記載されたレーザ光源である。
【０１９０】
この加工装置においては、上記の制御を実施するレーザ光源を用いているので、安定したビーム品質が高いレーザ光を生成することができ、レーザマーキングやレーザピーニングなどのレーザ加工を行うことできる。
【０１９１】
前記レーザ光源から生成するレーザ光の波長は、４４１ｎｍ以上５９２ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１９２】
この場合、水がレーザ光を吸収することにより、水が蒸発することを防止することができるので、加工対象の照射面において、高いレーザピーニング効果を発現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１９３】
本発明に係るレーザ光源は、波長変換素子を用いたレーザ光源の出力安定化及び高効率化が可能であるので、０．５μｍから０．６μｍの可視領域の波長、２μｍ以上の中赤外領域の波長の光を安定して出力することができ、医療用、加工用、ディスプレイ用など様々な分野に応用される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009081577.tif 000027
【図２】
2009081577.tif 000028
【図３】
2009081577.tif 000029
【図４】
2009081577.tif 000030
【図５】
2009081577.tif 000031
【図６】
2009081577.tif 000032
【図７】
2009081577.tif 000033
【図８】
2009081577.tif 000034
【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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【国際調査報告】
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