(57)【要約】  波長変換レーザは、基本波を出射する基本波レーザ光源（１）と、基本波レーザ光源（１）から出射した基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する波長変換素子（１０）とを備え、波長変換素子（１０）の光軸方向の両端側に位置し、基本波を反射することにより、波長変換素子（１０）内において基本波を複数回通過させる一対の基本波反射面（１２，１３）のうちの少なくとも一方の基本波反射面は、変換波を透過させ、一対の基本波反射面（１２，１３）は、基本波を波長変換素子（１０）内で交差させ、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。これにより、高い変換効率を有するとともに、小型化することができる。
2009093431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波を出射する光源と、
前記光源から出射した前記基本波を、前記基本波と波長の異なる変換波に変換する波長変換素子とを備え、
前記波長変換素子の光軸方向の両端側に位置し、前記基本波を反射することにより、前記波長変換素子内において前記基本波を複数回通過させる一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方の基本波反射面は、前記変換波を透過させ、
前記一対の基本波反射面は、前記基本波を前記波長変換素子内で交差させ、前記基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成することを特徴とする波長変換レーザ。
【請求項２】
前記波長変換素子の側面は、前記基本波を前記波長変換素子の内部に反射することを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ。
【請求項３】
前記波長変換素子よりも屈折率が低い材料で形成され、前記波長変換素子の側面を被覆する反射部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の波長変換レーザ。
【請求項４】
前記反射部を介して前記波長変換素子の温度を調整する温度調整機器をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の波長変換レーザ。
【請求項５】
前記波長変換素子の光軸に交わる断面の形状は、矩形形状であり、
前記基本波の偏光方向は、前記断面の一辺と平行であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項６】
前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、
前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型形状となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項７】
前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型シリンドリカル形状となっていることを特徴とする請求項６記載の波長変換レーザ。
【請求項８】
前記一対の基本波反射面のうちの一方は、シリンドリカル面を含み、他方は、球面を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項９】
前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、
前記波長変換素子の両端面のうち、前記基本波を反射するとともに前記変換波を透過する一方の端面の面積は、他方の端面よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１０】
前記波長変換素子の厚み及び幅は、１ｍｍ以下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波長変換レーザ。
【請求項１１】
前記波長変換素子は、所定の厚みを有する平板形状であり、
前記反射部は、平板形状の前記波長変換素子の互いに対向する２つの最大面積面に形成されることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１２】
前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、
前記波長変換素子の両端面のうちの一方の端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過し、前記変換波を伝搬させるマルチモード光ファイバーに接続されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１３】
前記マルチモード光ファイバーにおける前記波長変換素子との接続端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過することを特徴とする請求項１２記載の波長変換レーザ。
【請求項１４】
前記変換波を透過させる基本波反射面は、前記変換波を透過させる透過領域と、前記基本波及び前記変換波を共に反射させる反射領域とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１５】
前記変換波の出射中に前記波長変換素子を振動させる振動機構をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１６】
前記波長変換素子の両端面のうちの前記変換波を透過する端面の像は、前記変換波を変調する変調素子に投影されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１７】
前記一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方は、前記基本波及び前記変換波を反射する反射膜を有し、
前記複数の集光点は、前記反射膜の近傍に形成され、
前記反射膜は、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含むことを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の波長変換レーザと、
前記波長変換レーザから出射した変換波を変調する変調素子とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波の波長変換を行い、基本波とは波長の異なる変換波を出力する波長変換レーザ及び波長変換レーザを備える画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長変換素子の非線形光学現象を用いて、基本波を、第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ）、和周波又は差周波等の変換波に波長変換する波長変換レーザがある。【０００３】
図１７は、従来の波長変換レーザの構成を示す概略図である。従来の波長変換レーザは、例えば図１７に示すように、基本波レーザ光源３０１と、基本波レーザ光源３０１から出射された基本波レーザ光を集光するレンズ３０２と、集光した基本波レーザ光の第２高調波を発生させる波長変換素子３０３と、基本波レーザ光と高調波レーザ光とを分離するダイクロイックミラー３０４とを備える。【０００４】
波長変換素子３０３は、非線形光学結晶からなり、基本波と変換波との位相が整合するように、結晶の方位や分極反転構造等を適切に調節することにより、基本波の波長変換を行う。特に、分極反転構造を用いた波長変換素子は、擬似位相整合によって低パワーでも高効率の波長変換を行うことができ、設計によって様々な波長変換を行うことができる。分極反転構造とは、非線形光学結晶の自発分極を周期的に反転させた領域が設けられた構造からなる。【０００５】
基本波を第２高調波に変換する変換効率ηは、波長変換素子の相互作用長をＬとし、基本波のパワーをＰとし、波長変換素子でのビーム断面積をＡとし、位相整合条件からのずれをΔｋとすると、下記の（１）式で表される。【０００６】
η∝Ｌ２Ｐ／Ａ×ｓｉｎｃ２（ΔｋＬ／２）・・・（１）【０００７】
また、相互作用長に対し適切な集光条件とした場合、変換効率ηは、下記の（２）式で表される。【０００８】
η∝ＬＰ×ｓｉｎｃ２（ΔｋＬ／２）・・・（２）【０００９】
上記の（２）式より、変換効率を高めるためには相互作用長を長くするか、基本波のパワーを増加させると良いこととなる。しかし、位相整合条件からのずれに対する許容幅が相互作用長に反比例する関係となるため、相互作用長を長くすると、温度調整及び基本波の条件が厳密となってしまう。また、基本波のパワーの増加は、波長変換素子の端面破壊や、光吸収で生じる発熱による変換効率の低下を導いてしまう。【００１０】
例えば、特許文献１においては、入射したレーザ光を互いに同一の直線上にない複数の光路に導光する導光手段と、複数の光路に配設された波長変換手段と、波長変換手段により波長が変換されたレーザ光を取り出すレーザ光取り出し手段とを備えることで、光損傷を与えずに高効率に波長変換を行う波長変換装置が提案されている。【００１１】
また、例えば、特許文献２においては、入射基本波レーザビーム経路に順次配置された複数の波長変換素子と、複数の波長変換素子を通過するレーザビームを収束させる複数の集光手段と、複数の波長変換素子で波長変換されたレーザビームの経路を変更するビームスプリッタとを備えることで、高効率な波長変換が可能な波長変換レーザ装置が提案されている。【００１２】
さらに、例えば、特許文献３においては、分極反転素子の入射端から入射し波長変換を施され他端に達した光を、分極反転素子の他端に配置した反射体で反射させ、当該分極反転素子に光路を変えて再入射させ、再び分極反転素子内を進行させて波長変換を行うことで、波長変換効率を高めた波長変換素子が提案されている。【００１３】
上記の従来の提案では、波長変換素子の相互作用長が短くとも高い変換効率が得られる。しかし、出力するビームが複数のビームとなっているため、これら複数のビームの取りまとめに複数の光学部品が必要となる。また、上記の従来の提案では、変換波の実効的な光源面積が大きくなり、変換波を集光するのが困難となる。その他にも、上記の従来の提案では、波長変換素子の必要な面積が大きくなり、コスト増につながるという課題がある。また、波長変換レーザでは、複数の光学部品を用いるため、製品化には部品の調整を緩和することが求められている。
【特許文献１】特開２００４−１２５９４３号公報
【特許文献２】特開平１１−４４８９７号公報
【特許文献３】特開２００６−２０８６２９号公報
【発明の開示】
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、安定して高い変換効率を得ることができるとともに、小型化することができる波長変換レーザ及び画像表示装置を提供することを目的としている。
【００１５】
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する光源と、前記光源から出射した前記基本波を、前記基本波と波長の異なる変換波に変換する波長変換素子とを備え、前記波長変換素子の光軸方向の両端側に位置し、前記基本波を反射することにより、前記波長変換素子内において前記基本波を複数回通過させる一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方の基本波反射面は、前記変換波を透過させ、前記一対の基本波反射面は、前記基本波を前記波長変換素子内で交差させ、前記基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。
【００１６】
この構成によれば、一対の基本波反射面によって、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、基本波が波長変換素子内で交差し、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。
【００１７】
本発明によれば、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、かつ基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるので、安定して高い変換効率を得ることができ、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を小さくすることができ、その結果、装置全体を小型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における波長変換素子の外観形状を示す概略図である。
【図２】図２（Ａ）は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図２（Ｂ）は、本発明の実施の形態１の波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図３】実施の形態１における温度調整機器の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２における波長変換素子の外観形状を示す概略図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図５（Ｂ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図６】図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す波長変換レーザに接続されるマルチモード光ファイバーの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３における波長変換レーザの構成を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態４における波長変換レーザの構成を示す概略上面図である。
【図９】本発明の実施の形態５における波長変換レーザの構成を示す概略上面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１０（Ｂ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１１（Ｂ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１２（Ｂ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１３】図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示す波長変換レーザを用いた画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態９における波長変換レーザの構成を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施の形態１０における波長変換素子の外観形状を示す概略図である。
【図１６】図１６（Ａ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１６（Ｂ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１７】従来の波長変換レーザの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における波長変換素子１０の外観形状を示す概略図である。波長変換素子１０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子１０の形状は、長さが例えば１０ｍｍ、幅と厚みとがそれぞれ例えば１ｍｍのロッド型となっている。波長変換素子１０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子１０の長手方向の一方の端面１２には、基本波が入射する基本波入射口１１が形成されている。ロッド型の波長変換素子１０の長手方向の両端面には、基本波入射口１１を除いて、基本波を反射する基本波反射コートが形成されている。【００２１】
また、基本波入射口１１が形成されていない長手方向の他方の端面１３は、基本波を反射する基本波反射コートと共に変換波を透過する変換波透過コートが形成されており、変換波の出力面となっている。また、端面１２には、変換波を反射する変換波反射コートが形成されており、波長変換素子１０では、変換波の出力面は長手方向の端面１３のみとしている。【００２２】
基本波入射口１１は、端面１２の中心から横方向の端部にずれた位置に形成され、径の大きさは例えば１００μｍであり、基本波に対するＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コートが形成されている。基本波入射口１１を有する一方の端面１２は、図１の縦方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。他方の端面１３は、図１の横方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。両端面１２，１３の曲率半径は、例えば１３ｍｍである。【００２３】
波長変換素子１０の側面は、屈折率が波長変換素子１０よりも低い樹脂クラッド１４で被覆され、樹脂クラッド１４を介して波長変換素子１０はホルダへの固定と温度調整とが行われる。樹脂クラッド１４は、波長変換素子１０の端面１２，１３を除いた面を被覆している。【００２４】
図２（Ａ）は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図２（Ｂ）は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、基本波と変換波との光路を示している。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、ロッド形状の波長変換素子１０の上面図及び側面図である。【００２５】
波長変換レーザ１００は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子１０及び樹脂クラッド１４を備える。【００２６】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口１１内に収まるように集光され、波長変換素子１０に入射される。入射した基本波は、波長変換素子１０の長手方向に進行し、波長変換が行われる。基本波は、端面１３により反射され、波長変換素子１０内を再度進行する。得られた変換波は、端面１３から出射される。基本波入射口１１はロッド中心軸からずれた位置に形成されており、端面１３は、基本波入射口１１のロッド中心軸に対するずれ方向に曲率を有している。そのため、基本波は、上面から見た横方向に傾いて反射し、基本波入射口１１に帰還しないようになっている。【００２７】
端面１３と端面１２とに反射コートが形成され、また波長変換素子１０の側面に樹脂クラッド１４が被覆されている。したがって、基本波は、端面１３と端面１２とで反射するとともに、側面の樹脂クラッド１４でも全反射するので、波長変換素子１０内を長手方向に繰り返し往復する。この往復時に、基本波の集光点が形成されるように、端面１２と端面１３とは凹面（シリンドリカル）ミラーとして機能する。【００２８】
波長変換素子１０内を往復する基本波は、波長変換素子１０内で交差し、集光レンズ２による集光点の他に、端面１２と端面１３との曲率による集光点Ｐｂを形成する。このとき、基本波の交差点Ｐａと異なる箇所に複数の集光点Ｐｂが形成されることとなる。実施の形態１では、端面１２と端面１３とにシリンドリカル面を用いているため、ビームの径方向で異なる集光点Ｐｂを形成する。【００２９】
変換波は、端面１２と波長変換素子１０の側面とで反射され、端面１３に導かれる。変換波は、端面１３から複数のビームの光束として出射される。端面１３は、１辺が例えば１ｍｍの矩形形状であり、非常に小さな出射口となっている。また、端面１３のシリンドリカル形状は、変換波に対し凸レンズとして働き、上面から見た横方向に広がる光束の拡がり角を抑えて出射する。【００３０】
なお、本実施の形態１において、波長変換素子１０の端面１２，１３が、一対の基本波反射面の一例に相当し、樹脂クラッド１４が、反射部の一例に相当する。【００３１】
本実施の形態１では、波長変換素子１０は、長手方向の両側に基本波反射面を有し、少なくとも一方の基本波反射面が変換波を透過し、基本波が波長変換素子１０内で交差し、交差点と異なる箇所で集光点が形成される。これにより、変換効率を高めながら、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を１箇所にまとめて小さくすることができ、また、波長変換素子１０の必要な面積を小さくすることができる。一対の基本波反射面間を往復する基本波が波長変換素子１０内を複数回通過し、かつ往復する基本波が複数の集光点を有することから、変換効率は、波長変換素子内を１回だけ基本波が通過する構成に対し、数倍もの値となる。【００３２】
ここで、基本波が波長変換素子１０内を複数回通過するだけで、集光しない場合、回折の効果で基本波のビーム径が拡がり、パワー密度が低下することから、変換効率の上昇はわずかとなる。しかし、本実施の形態１では、波長変換素子１０内を通過するビームが集光点を有しているので、基本波のパワー密度が低下せず、変換効率を大きく増加させることができる。また、基本波が基本波反射面間を往復するとき、少なくとも一方の基本波反射面から変換波が出力される。そのため、波長変換の相互作用長は、波長変換素子１０の１往復以下となり、相互作用長が長くなるという問題も生じない。【００３３】
本実施の形態１では、波長変換素子１０内で長手方向に往復する基本波を交差させ、基本波が通過する波長変換素子１０の幅と厚み方向の面積とを小さくしている。基本波が通過する波長変換素子１０の部位が変換波の発生源となるが、波長変換素子１０の幅と厚み方向の断面積とを小さくすることで、光源面積を減らすことができる。変換波の出射する断面積も小さくまとまっているため、複数ビームを簡易な光学部品で制御することができる。【００３４】
本実施の形態１では、波長変換素子１０内に基本波の交差点と集光点とを有するが、このとき、基本波の交差点と集光点とが集中する構成では、基本波のパワー密度が高くなり過ぎ、波長変換素子１０へのダメージや光吸収が生じ、交差点及び集光点での波長変換が滞るという問題が生じる。本実施の形態１では、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を有することで、パワー密度が高く、かつ波長変換が強く行われる箇所を分散させることができ、安定して高い変換効率を得ることができる。なお、本実施の形態１の基本波の交差点とは、反射による交点は除き、基本波の光路が空間中で重なりをもつ点のことを指す。【００３５】
実施の形態１では、波長変換素子１０内に入射した基本波の一部が基本波入射口１１から出射するが、基本波レーザ光源１に基本波が戻らないように、光アイソレータなどを用いることが好ましい。また、基本波入射口１１の周りには、波長変換素子１０から出射する基本波を吸収する遮光カバーを用いることが好ましい。【００３６】
実施の形態１は、波長変換素子１０の長手方向の一対の基本波反射面に加え、波長変換素子１０の側面を用いて基本波を反射させることにより、基本波を波長変換素子１０内に折り返す好ましい形態である。通常、基本波が通過する波長変換素子１０の幅と厚み方向の面積とは、基本波の往復回数が増えると大きくなり、大きくなった面積分の基本波は出力として取り込めなくなる。【００３７】
しかしながら、本実施の形態１では、波長変換素子１０の側面に樹脂クラッド（反射部）１４が形成され、基本波を波長変換素子１０の内部に反射させることで、基本波が波長変換素子１０内を通過する面積を一定範囲に保ち続けることができる。また、波長変換素子１０の側面において基本波を反射させることで、基本波が通過する面積を限定し、変換波の光源面積を定めることで、出射する変換波を容易に制御することができる。また、波長変換素子１０の側面において基本波を反射させることで、波長変換素子１０を通過する基本波の強度分布を平均化し、基本波のパワー密度が高い場所を分散させることができる。波長変換素子１０の側面は、基本波と共に変換波を反射することが好ましい。変換波を一定面積の出力側の端面１３に導くことができるとともに、変換波の強度を均一化することができる。【００３８】
本実施の形態１は、波長変換素子１０の側面を波長変換素子１０よりも屈折率が低い材料で被覆している好ましい形態である。波長変換素子１０よりも屈折率が低い材料で被覆することにより、波長変換素子１０の側面で基本波及び変換波を全反射させ、基本波及び変換波を波長変換素子１０内に折り返すことができる。また、波長変換素子１０の保護層及び保温層として被覆部（反射部）を用いることができる。特に、被覆部は、変形及び加工が可能な樹脂材料が好ましい。波長変換素子１０である非線形結晶は、硬くてもろく、衝撃などで破損する場合があるが、樹脂材料で被覆することで、振動や変形に対しても強くなる。また、樹脂材料の加工により、波長変換素子１０を保持する保持部との接合が容易となる。樹脂材料には、例えば、ＵＶ硬化樹脂、熱硬化樹脂及び熱可塑性樹脂などを用いることができる。【００３９】
樹脂クラッド１４は、波長変換素子１０の温度を一定に調整する温度調整機器と接合されている。図３は、実施の形態１における温度調整機器の構成を示す図である。温度調整機器１５は、金属ホルダ１６、ペルチェ素子１７及び放熱フィン１８を備える。【００４０】
金属ホルダ１６は、例えば、矩形状の金属材料で形成され、波長変換素子１０及び樹脂クラッド１４を保持する。金属ホルダ１６は、樹脂クラッド１４の側面全周を被覆している。ペルチェ素子１７は、冷却面が金属ホルダ１６の一側面に接合されており、金属ホルダ１６から熱を吸収する。放熱フィン１８は、ペルチェ素子１７の発熱面側に配置されており、ペルチェ素子１７から熱を放出する。波長変換素子１０から発生する熱は、樹脂クラッド１４及び金属ホルダ１６に伝達し、金属ホルダ１６は、ペルチェ素子１７によって冷却される。さらに、放熱フィン１８によって、ペルチェ素子１７から発生する熱が放出される。【００４１】
本実施の形態１は、波長変換素子１０を被覆する反射部（樹脂クラッド１４）に温度調整機器１５が接続されている好ましい形態である。波長変換素子１０に直接温度調整機器１５を接続した場合、波長変換素子１０と温度調整機器１５との接続部で反射面間を往復する基本波を吸収し、温度調整機能が精確に動作しない場合がある。一方、本実施の形態１では、基本波及び変換波を全反射する反射部（樹脂クラッド１４）と温度調整機器１５とを接続することで、温度調整機器１５への基本波及び変換波の吸収を除去し、精確な温度制御を行うことができる。また、反射部（樹脂クラッド１４）は、波長変換素子１０の側面全周を覆っており、波長変換素子１０全体を一定の温度で保持する役割も果たす。【００４２】
基本波レーザ光源１は、１０６４ｎｍの波長を発振し直線偏光性を有するファイバーレーザで構成される。波長変換レーザ１００では、波長変換素子１０へ入射する基本波の偏光方向ＰＤは、図２（Ｂ）の側面図の上下方向としている。基本波の偏光方向ＰＤは、分極反転が形成されるＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸方向と一致し、効率よく波長変換を行うことができる。【００４３】
波長変換素子１０の光軸に垂直な面の断面形状は、前記した偏光方向ＰＤに平行な辺と垂直な辺とを有する矩形形状である。本実施の形態１は、波長変換素子１０の光軸に垂直な面の断面形状が矩形形状であり、少なくとも一辺が波長変換素子１０に入射する基本波の偏光方向ＰＤと平行であり、波長変換素子１０の側面で基本波を反射する好ましい形態である。【００４４】
本実施の形態１では、波長変換素子１０の側面の反射を用いて、基本波を波長変換素子１０内に折り返すが、このとき、偏光方向が変化すると、変換効率が低下するという問題がある。本実施の形態１では、偏光方向に対し、反射する側面が平行もしくは垂直であるため、偏光方向の変化をなくし、側面の反射を用いても、効率のよい波長変換を行うことができる。非線形光学結晶は、光学軸を有するため、波長変換を行うには偏光方向を光学軸に合わせる必要がある。【００４５】
実施の形態１は、波長変換素子１０の端面が基本波反射面となり、端面が凸型形状となっている好ましい形態である。また、実施の形態１は、一対の基本波反射面が、波長変換素子１０の光軸方向の両端面に形成され、波長変換素子１０の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型形状となっている好ましい形態である。【００４６】
波長変換素子１０は、長手方向の両端面に基本波反射面を有し、両端面は、軸が互いに垂直となる凸型シリンドリカル形状である。波長変換素子１０の端面が基本波反射面を兼ねることにより、波長変換素子１０と基本波反射面との調整工程を省くことができる。従来、基本波が非線形光学結晶を複数回通過する場合、調整軸が多くなることが課題となる場合がある。しかしながら、本実施の形態１では、調整軸数を減らし、波長変換素子１０内に集光する基本波が複数回通過する構成をコンパクトに実現することができる。【００４７】
また、波長変換素子１０内を基本波が往復するため、基本波が波長変換素子１０を通過する際に透過する面がなく、光学的な損失を排除することができる。波長変換素子１０の凸型形状の端面は、反射する基本波に対し凹面ミラーとして働き、波長変換素子１０内に集光点を作成することができる。また、基本波を反射し、変換波を透過する波長変換素子１０の凸型形状の端面は、変換波に対して凸レンズとして働き、出射する変換波の拡がり角を抑えることができる。なお、波長変換素子１０の両端面のうちの一方のみに凸型の基本波反射面が形成されている構成でもよい。また、凸型形状は、球面形状ではなく非球面形状としてもよい。【００４８】
本実施の形態１は、基本波反射面を有する波長変換素子１０の両端面のうちの少なくとも一方が凸型シリンドリカル形状となっている好ましい形態である。基本波反射面をシリンドリカル面とすることで、波長変換素子１０内で形成される集光点をビームの径方向に異ならせ、基本波のパワー密度の集中を回避することができる。また、凸面をシリンドリカル形状とすることで、球面形状にするよりも調整軸を１軸減らすことができ、調整工程を容易にすることができる。波長変換素子１０の端面の加工も１軸加工ですむため、製造コストの低減が可能となる。【００４９】
特に、断面が矩形形状の波長変換素子１０の場合、シリンドリカル面の軸方向は、矩形形状の断面の辺と一致していることが好ましい。シリンドリカル面の軸方向と矩形形状の断面の辺とを一致させることで、基本波が波長変換素子１０の側面を反射するときの偏光方向の回転をなくすことができる。【００５０】
波長変換素子１０は、波長変換素子１０の両端面が凸型シリンドリカル形状の基本波反射面であり、シリンドリカル形状の軸が互いに直交する好ましい形態である。集光力を有する２つの反射面の軸を互いに直交させることで、波長変換素子１０内で形成される集光点を互いに直交する方向に異ならせる。また、シリンドリカル形状の軸が互いに直交することで、波長変換素子１０の調整軸を２軸独立に扱うことができ、調整を容易にする。また、各１軸ずつ加工すればよいので、調整を含め製造コストの低減が可能である。【００５１】
特に、シリンドリカル面の曲率半径を２面とも、波長変換素子長以上とすることが好ましい。曲率半径を上記の条件とすることで、ビームの集光特性を確保しながら、ビームを往復させることができる。特に、図２（Ｂ）の波長変換レーザ１００の側面図で示すように、光軸と基本波入射口１１との位置ずれが小さい径方向の光路は、安定共振条件となり、往復数が増してもビーム径を一定範囲に納めることができる。【００５２】
波長変換素子１０は、厚み及び幅がそれぞれ１ｍｍ以下である好ましい形態である。波長変換素子１０の厚み及び幅は、変換波の光源面積に相当し、光源面積を１ｍｍ×１ｍｍの範囲内とすることで、十分に小さな範囲に変換波をまとめることができる。本実施の形態１では、複数の変換波ビームが出力されるが、複数の変換波ビームを小さな範囲にまとめることで、変換波ビームが複数であることを考慮せずに、ビーム整形及び伝播などの制御を各光学部品で行うことができる。【００５３】
基本波レーザ光源１には、ファイバーレーザの他、半導体レーザ及び固体レーザなど各種レーザ光源を用いることができる。集光レンズ２は、基本波レーザ光を基本波入射口１１から基本波反射面に入射させるために用いられる。基本波レーザ光を１対の基本波反射面に入射させるため、本実施の形態１では各種光学部品を用いることができる。また、波長変換素子１０には、各種非線形材料を用いることができる。例えば、波長変換素子１０には、ＬＢＯ、ＫＴＰ、あるいは分極反転周期構造を有するＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３が用いられる。【００５４】
本実施の形態１では、波長変換素子１０内で基本波が交差し、交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるように、基本波反射面に集光力のある曲面が用いられる。また、基本波反射面に入射するビームを集光させることでも、実施の形態１のような集光点を形成することができる。実施の形態１では、基本波反射面に凸型シリンドリカル面を用い、交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成し、波長変換素子１０の側面による反射とシリンドリカル面による反射とを用いて基本波を交差させている。【００５５】
基本波入射口１１は、一対の基本波反射面間に基本波を入射させることが可能であればよく、形状は特に限定されない。本実施の形態１では、端面１２の反射コートの形成時に円状にマスキングすることによって、基本波入射口１１のみ基本波透過面としている。その他にも、基本波反射面の一部を加工して基本波入射口１１とすることができる。実施の形態１では、基本波入射口１１は、波長変換素子１０の端面１２の中心から横方向に大きくずれるとともに、縦方向にわずかにずれた位置に形成されているが、基本波入射口１１が形成される位置は特に限定されない。【００５６】
なお、本実施の形態１では、変換波の出力面を波長変換素子１０の一方の端面のみとしているが、両端面から変換波を出力するように、端面１２に変換波に対する透過コートを施してもかまわない。【００５７】
また、波長変換素子１０内で基本波が初めに集光する集光点のビーム形状は、楕円形状であることが好ましい。本実施の形態１では、集光レンズ２のレンズパワーにより、波長変換素子１０内で基本波が初めに集光される。このとき、集光レンズ２によって、基本波のＮＡ（開口数）は２つの軸方向に実効的に異なることとなり、楕円ビームとして波長変換素子１０に入射する。特に、初めの集光点は、変換が進んでおらず基本波のパワーが高いため、パワー密度が高くなりやすい。そのため、波長変換素子１０内で基本波が初めに集光する集光点のビーム形状を楕円形状とすることで、初めの集光点でのパワー密度の集中を回避することができる。【００５８】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における波長変換素子２０の外観形状を示す概略図である。図５（Ａ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図５（Ｂ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【００５９】
波長変換レーザ１０１は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子２０及び樹脂クラッド１４を備える。【００６０】
波長変換素子２０は、分極反転周期構造を有するＬｉＴａＯ３結晶からなる。波長変換素子２０の形状は、長さが例えば１０ｍｍ、幅と厚みとがそれぞれ例えば０．８ｍｍのロッド型となっている。波長変換素子２０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子２０の長手方向の一方の端面２２には、基本波が入射する基本波入射口２１が形成されている。ロッド型の波長変換素子２０の長手方向の両端面には、基本波入射口２１を除いて、基本波を反射する基本波反射コートが形成されている。【００６１】
また、基本波入射口２１が形成されていない長手方向の他方の端面２３は、基本波を反射する基本波反射コートと共に変換波を透過する変換波透過コートが形成されており、変換波の出力面となっている。また、端面２２には、変換波を反射する変換波反射コートが形成されており、波長変換素子２０では、変換波の出力面は長手方向の端面２３のみとしている。【００６２】
基本波入射口２１は、端面２２の中心から横方向の端部にずれた位置に形成され、径の大きさは例えば９０μｍであり、基本波に対するＡＲコートが形成されている。基本波入射口２１を有する一方の端面２２は、図４の横方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。他方の端面２３は、凸型の球面形状を有する。端面２２の曲率半径は、例えば８ｍｍであり、端面２３の曲率半径は、例えば１２ｍｍである。【００６３】
なお、本実施の形態２において、波長変換素子２０の端面２２，２３が、一対の基本波反射面の一例に相当し、樹脂クラッド１４が、反射部の一例に相当する。【００６４】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口２１内に収まるように集光され、波長変換素子２０に入射される。入射した基本波は、波長変換素子２０の長手方向に進行し、波長変換が行われる。基本波は、端面２３により反射され、波長変換素子２０内を再度進行する。得られた変換波は、端面２３から出射される。端面２２と端面２３とは、基本波に対して凹面ミラーとして作用し、基本波は、端面２２と端面２３との間を複数の集光点を形成しながら往復する。往復する基本波は、波長変換素子２０内で交差するが、交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。【００６５】
また、シリンドリカル面により、ビームの径方向に異なる集光点が形成され、波長変換素子２０の厚み方向の集光点は端面２２付近に形成される。また、集光レンズ２によっても、交差点と異なる箇所に集光点が形成される。変換波は、端面２３から複数のビームとなって出射されるが、端面２３の範囲でまとまった光束として扱うことができる。また、端面２３は、変換波に対し凸レンズとして働き、変換波の拡がり角を抑える。【００６６】
本実施の形態２では、波長変換素子２０は、長手方向の両側に基本波反射面を有し、少なくとも一方の基本波反射面が変換波を透過し、基本波が波長変換素子２０内で交差し、交差点と異なる箇所で集光点が形成される。これにより、変換効率を高めながら、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を１箇所にまとめて小さくすることができ、また、波長変換素子２０の必要な面積を小さくすることができる。【００６７】
本実施の形態２では、波長変換素子２０の端面に基本波反射面を有し、波長変換素子２０の端面が凸型形状となっている好ましい形態である。波長変換素子２０の端面に凸型形状の基本波反射面を有することで、波長変換素子２０内を往復する基本波を交差させ、基本波の集光点を波長変換素子２０内に作成することができる。本実施の形態２では、波長変換素子２０の端面を基本波に対する凹面ミラーとすることで、基本波を交差させるとともに集光させることができる。【００６８】
波長変換レーザ１０１は、一対の基本波反射面のうちの一方がシリンドリカル面であり、他方が球面である好ましい形態である。このとき、シリンドリカル面の曲率の方向が、面中心に対して基本波入射口２１が形成されている方向と一致していることが好ましい。実施の形態２では、端面２２の中心に対し横方向にずれた位置に基本波入射口２１が形成され、端面２２は横方向に曲率を有するシリンドリカル面となっている。２つの端面が有する横方向の曲率により、基本波は波長変換素子２０内を複数回通過し、波長変換素子２０内で基本波が交差する。【００６９】
また、波長変換素子２０の両端面のうちの一方のみをシリンドリカル面とすることで、端面２２の曲率中心から基本波入射口２１が形成されている位置に向かう方向に直交する方向でのビームの回折をなくし、一対の基本波反射面を基本波が往復する間にビーム径が拡がることを防止することができる。特に、球面の曲率半径を波長変換素子長よりも大きくすることで、シリンドリカルレンズのレンズパワーがない方向で安定共振条件となり、往復数が増えてもビーム径が一定に保たれ、変換効率を高めることができる。【００７０】
また、波長変換素子２０の両端面のうちの一方を球面の代わりにシリンドリカル面とすることで、調整及び加工の軸が減り、レーザ作製のコストの低減が可能となる。特に、シリンドリカル面と球面との曲率半径の合計が、基本波反射面間の距離の１．８〜２．２倍となることが好ましい。この条件のとき、波長変換素子２０の側面の反射がなくとも、基本波反射面間における５回以上の基本波の往復が可能となる。シリンドリカル面と球面との曲率半径が、上記の条件を満たさない場合、基本波反射面間における基本波の往復が数回で停止する場合がある。【００７１】
図６は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す波長変換レーザ１０１に接続されるマルチモード光ファイバー２１０の構成を示す図である。マルチモード光ファイバー２１０は、径が例えば０．８ｍｍである純粋石英からなるコア２１１と、Ｆ添加石英からなるクラッド２１２とを備える。マルチモード光ファイバー２１０は、波長変換レーザ１０１から得られた光を伝送するのに用いられる。コア２１１は、波長変換レーザ１０１からの変換波を伝搬させる。クラッド２１２は、コア２１１を被覆し、変換波をコア２１１の内部に反射させる。【００７２】
波長変換素子２０とコア２１１とは直接接続され、波長変換素子２０の端面２３から出射する変換波がコア２１１に伝送される。波長変換素子２０から出射した変換波は、クラッド２１２によって反射されながら、コア２１１によって伝搬される。マルチモード光ファイバー２１０のコア２１１の接続面は、基本波を反射するとともに変換波を透過するコーティングがなされている。【００７３】
波長変換素子２０は、厚み及び幅がそれぞれ例えば０．８ｍｍの矩形形状であり、複数のビームからなる変換波が端面２３から小さな面積内に収まって出射される。波長変換素子２０の端面の径は、光ファイバーのコア径と同程度である。そのため、変換波は複数ビームからなるが、波長変換レーザ１０１とマルチモード光ファイバー２１０とを直接接続することができる。また、端面２３は凸型形状を有するため、変換波が集光され、マルチモード光ファイバー２１０への結合効率を高めることができる。【００７４】
本実施の形態２は、基本波を反射するとともに変換波を透過する基本波反射面が波長変換素子２０の端面２３に形成され、波長変換素子２０の端面２３がマルチモード光ファイバー２１０と接続される好ましい形態である。本実施の形態２の波長変換レーザ１０１は、複数の変換波ビームを出力することから、取り扱いが課題となる場合がある。しかしながら、複数の変換波を一つの光束として直接マルチモード光ファイバー２１０に出射することにより、様々な場所へ変換波を容易に伝送することができる。また、波長変換素子２０の厚み及び幅が１ｍｍ以下であるため、屈曲可能なコア径を有するマルチモード光ファイバー２１０へ複数の変換波ビームを直接接合させることができる。【００７５】
波長変換素子２０の端面２３は、基本波を反射させるとともに変換波を透過させ、凸型形状を有する好ましい形態である。このような波長変換素子２０の端面２３を用いることで、本実施の形態２の波長変換レーザ１０１では、波長変換素子２０内において、基本波を往復させるとともに交差させ、さらに基本波の集光点を複数個所に設けることが可能となる。また、波長変換素子２０の端面２３は、出力する複数の変換波ビームを集光するレンズとして機能し、光ファイバーなどの光学部品への結合効率を高めることができる。特に、波長変換レーザ１０１をマルチモード光ファイバー２１０に直接接合する場合、波長変換素子２０の端面２３を凸型形状とすることで、偏芯があったとしても、結合効率を高めることができる。【００７６】
本実施の形態２は、波長変換レーザ１０１からの基本波を反射するとともに変換波を透過するコーティングがマルチモード光ファイバー２１０の端面に施されている好ましい形態である。波長変換レーザ１０１とマルチモード光ファイバー２１０とを直接接合した場合、変換波と、波長変換素子２０の端面２３から漏れ出す基本波との分離が課題となる場合がある。そこで、コア２１１の端面のコーティングによって、波長変換レーザ１０１からの基本波と変換波とを分離し、変換波のみを伝送させる。また、クラッド２１２は、波長変換レーザ１０１から漏れ出す基本波が外部に出力されるのを遮断する役割を果たす。【００７７】
なお、マルチモード光ファイバー２１０のコア２１１及びクラッド２１２としては、石英タイプの他、柔軟性が高い有機樹脂材料を用いることもできる。また、コア２１１の断面形状は、円形状だけでなく、矩形形状としてもよい。【００７８】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における波長変換レーザ１０２の構成を示す概略図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【００７９】
波長変換レーザ１０２は、ランダム偏光基本波レーザ光源３９、集光レンズ２、波長変換素子３０及び樹脂クラッド１４を備える。【００８０】
波長変換素子３０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶（ＰＰＭｇＬＮ）からなり、結晶軸が互いに直交する第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とを含む。第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とは接合されている。図７において、左側に位置する第１の波長変換素子３５は、結晶のｚ軸が図７の上向きであるＰＰＭｇＬＮ↑からなり、右側に位置する第２の波長変換素子３６は、結晶のｚ軸が図７の奥行方向であるＰＰＭｇＬＮ←からなる。第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とは、オプティカルコンタクトされている。【００８１】
波長変換素子３０の形状は、長さが例えば１６ｍｍであり、径が例えば１ｍｍである円筒型となっている。波長変換素子３０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子３０の長手方向の一方の端面３２には、基本波が入射する基本波入射口３１が形成されている。円筒型の波長変換素子３０の両端面３２，３３には、基本波入射口３１を除いて、基本波を反射する基本波反射コートが形成されている。【００８２】
端面３３には、基本波反射コートとともに、変換波を透過する変換波透過コートが形成されており、端面３３は、変換波の出力面となっている。基本波入射口３１は、円筒状の端面３２の円弧近くにあり、径の大きさは例えば１００μｍであり、基本波に対するＡＲコートが形成されている。基本波入射口３１を有する一方の端面３２は、平面形状となっている。長手方向の他方の端面３３は、凸型の球面形状を有する。球面形状の端面３３の曲率半径は、例えば１０ｍｍである。【００８３】
なお、本実施の形態３において、波長変換素子３０の端面３２，３３が、一対の基本波反射面の一例に相当し、樹脂クラッド１４が、反射部の一例に相当する。【００８４】
ランダム偏光基本波レーザ光源３９は、ランダム偏光の基本波を出射する。ランダム偏光基本波レーザ光源３９から出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口３１内に収まるように集光され、波長変換素子３０に入射される。基本波は、波長変換素子３０の円筒の軸に対して、傾いて入射されている。入射した基本波は、波長変換素子３０の長手方向に進行し、ＰＰＭｇＬＮのｚ軸方向と一致する偏光成分について、第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とでそれぞれ波長変換が行われる。【００８５】
基本波は、球面形状の端面３３で反射された後、平面状の端面３２、端面３３及び波長変換素子３０の側面で反射され、波長変換素子３０間を長手方向に往復する。基本波が球面形状の端面３３と波長変換素子３０の側面とで反射することにより、基本波は波長変換素子３０内で交差することとなる。球面形状の端面３３は、基本波に対し凹面ミラーとして働き、往復する基本波が交差する交差点以外に、複数の集光点が形成される。【００８６】
端面３２と波長変換素子３０の側面とは、変換波も反射する。波長変換された変換波は、端面３３より出射される。基本波の偏光方向は、波長変換素子３０の円筒側面及び端面３３の反射により変化する。波長変換素子３０は、結晶軸が互いに直交する２つの非線形材料（第１の波長変換素子３５及び第２の波長変換素子３６）を用いるため、偏光方向に関わらず、波長変換を行う。また、波長変換素子３０は、基本波が基本波反射面間を往復する間に、偏光方向が変化しても、波長変換を行うことができる。【００８７】
本実施の形態３は、波長変換素子３０が結晶軸の直交する２つの部位（第１の波長変換素子３５及び第２の波長変換素子３６）で構成される好ましい形態である。波長変換素子が一対の基本波反射面を有し、基本波が波長変換素子を複数回通過するが、通過を繰り返すうちに、基本波の偏光方向が変わる場合がある。しかしながら、本実施の形態３では、基本波の偏光方向が、基本波反射面を往復する間に変化したとしても、常に波長変換を行うことができる。【００８８】
特に、曲面での反射を用いる本実施の形態３の構成では、偏光が変化する場合があるため、有効である。また、ランダム偏光を出射する基本波レーザ光源を用いる場合、結晶軸が互いに直交する第１の波長変換素子３５及び第２の波長変換素子３６は、変換効率を高めるために必須な構成となる。【００８９】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４における波長変換レーザ１０３の構成を示す概略上面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１〜３と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【００９０】
波長変換レーザ１０３は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２及び波長変換素子４０を備える。【００９１】
波長変換素子４０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子４０の形状は、長さが例えば１０ｍｍであり、幅と厚みとがそれぞれ例えば０．８ｍｍであるロッド型となっている。波長変換素子４０は、分極反転周期の異なる２種類の波長変換素子（第１の波長変換素子４５及び第２の波長変換素子４６）を含む。端面４２を有する第１の波長変換素子４５の分極反転周期は、２倍波を発生させる２倍波発生周期であり、端面４３を有する第２の波長変換素子４６の分極反転周期は、３倍波を発生させる３倍波発生周期である。第１の波長変換素子４５の分極反転周期は、基本波の２倍波を発生する擬似位相整合条件となるように設計されている。第２の波長変換素子４６の分極反転周期は、基本波と２倍波との和周波である３倍波を発生する擬似位相整合条件となるように設計されている。【００９２】
波長変換素子４０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波（２倍波及び３倍波）に変換する。波長変換素子４０の長手方向の一方の端面４２には、基本波が入射する基本波入射口２１が形成されている。【００９３】
ロッド型の波長変換素子４０の長手方向の端面４２には、基本波と２倍波とを反射する反射コートが形成されている。端面４３には、基本波を反射する反射コートと、２倍波と３倍波とを透過する透過コートが形成されている。端面４３からは、変換波である２倍波と３倍波とが出力される。基本波入射口２１は、端面４２の中心から横方向にずれた位置に形成され、径の大きさは例えば９０μｍであり、基本波に対するＡＲコートが形成されている。端面４２及び端面４３の形状は、実施の形態２の端面２２及び端面２３と同じであり、基本波は、実施の形態２と同様に波長変換素子４０内を往復する。そして、波長変換素子４０は、内部で基本波を交差させ、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。【００９４】
波長変換レーザ１０３は、２倍波と３倍波とを出力する波長変換レーザである。基本波入射口２１から入射した基本波は、波長変換素子４０の長手方向に進行する。第１の波長変換素子４５を進行する基本波は、２倍波に変換される。第１の波長変換素子４５で得られる２倍波は、基本波に帯同して第１の波長変換素子４５を進行し、第２の波長変換素子４６に入射する。第２の波長変換素子４６に入射した基本波と２倍波とは、３倍波に変換される。得られた２倍波と３倍波とは、端面４３から出力される。基本波は、球面形状の端面４３で反射され、波長変換素子４０内を再度進行する。【００９５】
端面４２と端面４３とは、基本波に対して凹面ミラーとして作用し、基本波は、端面４２と端面４３との間を複数の集光点を形成しながら往復する。往復する基本波は、波長変換素子４０内で交差するが、交差点と異なる箇所においても複数の集光点が形成される。基本波が第１の波長変換素子４５を進行するときに２倍波が発生し、発生させた２倍波と共に基本波が第２の波長変換素子４６を進行するときに３倍波が発生する。基本波は、波長変換素子４０を複数回通過するが、２倍波と３倍波とが繰り返し発生する。【００９６】
なお、本実施の形態４において、波長変換素子４０の端面４２，４３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態４において、波長変換素子４０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。【００９７】
本実施の形態４は、一対の基本波反射面を基本波が往復する間に、位相整合周期が異なる複数の波長変換素子により、高次の変換波を発生させる好ましい形態である。従来、高次の変換波（３〜５倍波など）への波長変換は非常に効率が低く、複雑な構成が必要であった。これに対し、本実施の形態４では、波長変換素子４０は、基本波及び変換波を複数回通過させるとともに、擬似位相整合周期により高次の変換波を発生させることで、効率のよい高次変換波の発生が可能となる。特に、本実施の形態４では、波長変換素子４０は、複数の集光点を分散させることで、高次変換波が発生する場所を分散させ、高次変換波がもたらす光吸収による変換効率の劣化及び波長変換素子４０へのダメージを低減させることができる。【００９８】
本実施の形態４では、球面形状の端面４３は、２倍波と３倍波とを透過させるが、２倍波を反射する反射コートを形成し、３倍波のみを透過させる構成とすることができる。波長変換素子４０は、２倍波を一対の反射面間で繰り返し往復させることで、２倍波のパワーを大きくし、３倍波への変換効率をより向上させることができる。【００９９】
（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５における波長変換レーザ１０４の構成を示す概略上面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１〜４と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【０１００】
波長変換レーザ１０４は、基本波レーザ光源１、波長変換素子５０、凹面ミラー５３及びコリメートレンズ５４を備える。【０１０１】
波長変換素子５０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子５０の形状は、長さが例えば１０ｍｍであり、幅が例えば２ｍｍであり、厚みが例えば１ｍｍである直方体形状である。波長変換素子５０の一方の端面５２には、基本波と変換波とを反射する反射コートが形成され、波長変換素子５０の長手方向の他方の端面５１には、基本波と変換波とを透過する透過コートが形成されている。凹面ミラー５３は、曲率半径が１０ｍｍの球面ミラーであり、基本波を反射する反射コートと変換波を透過する透過コートとが形成されている。凹面ミラー５３は、変換波を出力する出力ミラーとなっている。端面５２と凹面ミラー５３とが波長変換素子５０の長手方向にある一対の基本波反射面を構成する。【０１０２】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、コリメートレンズ５４でコリメートされた後、凹面ミラー５３で反射され、波長変換素子５０に入射する。波長変換素子５０に入射した基本波は、端面５２、波長変換素子５０の側面及び凹面ミラー５３により反射され、波長変換素子５０を複数回通過する。波長変換素子５０を通過する基本波は、変換波に変換され、得られた変換波は凹面ミラー５３から出力される。凹面ミラー５３は、曲率により反射面を往復する基本波を集光させ、集光点を形成する。また、基本波は、波長変換素子５０の幅方向の側面で反射することにより、波長変換素子５０内を交差する。【０１０３】
なお、本実施の形態５において、波長変換素子５０の端面５２及び凹面ミラー５３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態５において、波長変換素子５０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。【０１０４】
本実施の形態５では、凹面ミラー５３による反射と波長変換素子５０の側面による反射とが用いられ、基本波が波長変換素子５０内で交差し、交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。このため、基本波及び変換波のパワー密度が高い場所を分散させながら、高い変換効率が得られると共に、複数のビームが出射される箇所を１箇所にまとめて小さくすることができる。【０１０５】
波長変換素子５０では、曲率がない反射面である端面５２の近傍に複数の集光点が形成される。端面５２の基本波及び変換波を反射する反射コートは、波長変換素子５０側からＭｇＦ２とＴｉＯ２との９層の積層誘電体膜で形成され、積層誘電体膜の上に厚さ２００ｎｍのＡｌである金属膜が蒸着されて形成されている。【０１０６】
本実施の形態５は、一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方が、基本波及び変換波を反射する反射膜を有し、複数の集光点が、反射膜の近傍に形成され、反射膜が、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含む好ましい形態である。波長変換素子５０は、端面５２の近傍に複数の集光点が形成され、端面５２は基本波及び変換波を反射する１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含む反射コートを有する。集光点では、強い光吸収が生じ、波長変換素子５０に局所的な発熱が生じる。集光点の近くに形成される金属膜は、熱の伝達経路として機能し、局所的な波長変換素子５０の温度上昇を低減する。波長変換素子５０の温度上昇は、素子の破壊及び変換効率の低下をもたらす場合があるが、金属膜を含む反射コートにより回避することができる。【０１０７】
金属膜の厚さは、熱の伝達経路として機能するために、１００ｎｍ以上必要となる。また、金属膜は、金属からなるヒートシンクと直接接続されていることが好ましい。ヒートシンクと直接接続することで、熱の伝達経路を確保することができる。【０１０８】
（実施の形態６）
図１０（Ａ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザ１０５の構成を示す概略上面図であり、図１０（Ｂ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザ１０５の構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態６において、実施の形態１〜５と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【０１０９】
波長変換レーザ１０５は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子６０、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー６３を備える。【０１１０】
波長変換素子６０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子６０の形状は、長さが例えば２５ｍｍであり、幅が例えば４ｍｍであり、厚みが例えば１ｍｍである直方体形状である。波長変換素子６０の長手方向の両端面には、基本波と変換波とに対するＡＲコートが形成されている。【０１１１】
波長変換素子６０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子６０の長手方向の一方の端面には、基本波が入射する基本波入射口６１が形成されている。【０１１２】
波長変換素子６０の長手方向の基本波レーザ光源１側の端面の近傍には、波長変換素子６０の基本波入射口６１の位置に応じて一部がカットされたシリンドリカルミラー６２が配置されている。シリンドリカルミラー６２は、基本波と変換波とを反射する反射コートを有する。シリンドリカルミラー６２は、波長変換素子６０の幅方向に曲率を有し、曲率半径は例えば２０ｍｍである。シリンドリカルミラー６２は、波長変換素子６０の幅方向の端部に形成された基本波入射口６１に基本波が入射するように、基本波の入射光路となる部分がカットされている。【０１１３】
波長変換素子６０の長手方向の他方の端面の近傍には、球面の凹面ミラー６３が配置されている。凹面ミラー６３は、曲率半径が例えば２２ｍｍであり、基本波を反射する反射コートと変換波を透過する透過コートとを有している。凹面ミラー６３は、変換波を出力する出力ミラーとなっている。シリンドリカルミラー６２と凹面ミラー６３とで一対の基本波反射面が構成される。基本波反射面間の距離は、空気換算長で約２１ｍｍとしている。【０１１４】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により集光され、基本波入射口６１から波長変換素子６０に入射される。波長変換素子６０に入射した基本波は、波長変換素子６０内で集光された後、凹面ミラー６３で反射され、波長変換素子６０に再入射する。波長変換素子６０を通過した基本波は、シリンドリカルミラー６２によって反射され、波長変換素子６０に再入射する。基本波は、シリンドリカルミラー６２と凹面ミラー６３との間を複数回往復し、波長変換素子６０を通過するときに変換波に変換される。変換波は、凹面ミラー６３から出力される。【０１１５】
凹面ミラー６３及びシリンドリカルミラー６２の屈折により、基本波は波長変換素子６０内で交差する。集光レンズ２、凹面ミラー６３及びシリンドリカルミラー６２により、複数の集光点が形成される。シリンドリカルミラー６２により、ビームの径方向に異なる集光点が形成される。このとき、波長変換素子６０の厚み方向のビーム径は、安定共振条件となり、往復を繰り返しても一定のビーム径となる。集光レンズ２、凹面ミラー６３及びシリンドリカルミラー６２により、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。【０１１６】
なお、本実施の形態６において、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー６３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態６において、波長変換素子６０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。【０１１７】
本実施の形態６では、基本波が波長変換素子６０を複数回通過し、基本波が波長変換素子６０内で交差し、交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。このため、基本波及び変換波のパワー密度が高い場所を分散させながら高い変換効率が得られると共に、複数のビームが出射される箇所を１箇所にまとめて小さくすることができる。【０１１８】
また、本実施の形態６は、一対の基本波反射面の一方がシリンドリカル面であり、他方が球面である好ましい形態である。一方の基本波反射面にシリンドリカル面を用いることで、基本波反射面の両面に集光力を持たせながら、ビームの径方向で異なる集光点を作成できる。ビームの径方向で異なる集光点が作成されることで、基本波と変換波とのパワー密度が高まる点を分散させることができる。また、シリンドリカル面を用いることで、ビーム径の１方向に関して安定共振条件となり、基本波が往復してもビーム径が回折により拡がるのを防ぐことができる。ビーム径の拡がりを抑え、往復数が増したときの変換効率の低下を抑えることができる。【０１１９】
（実施の形態７）
図１１（Ａ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザ１０６の構成を示す概略上面図であり、図１１（Ｂ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザ１０６の構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態７において、実施の形態１〜６と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【０１２０】
波長変換レーザ１０６は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子６０、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー７３を備える。【０１２１】
波長変換レーザ１０６は、凹面ミラー７３を除き、実施の形態６の波長変換レーザ１０５と同じ構成要素からなる。凹面ミラー７３は、ミラー中央の径１ｍｍの範囲のみに形成され、基本波を反射するとともに変換波を透過するコートが施された変換波透過部（透過領域）７４と、変換波透過部７４の外周部に形成され、基本波と変換波とを共に反射するコートが施された変換波反射部（反射領域）７５とを備える。基本波が波長変換素子６０内を通過することにより発生した変換波は、変換波透過部７４のみから外部に出力される。【０１２２】
なお、本実施の形態７において、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー７３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態７において、波長変換素子６０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。【０１２３】
本実施の形態７は、基本波反射面の変換波を透過する部位が、基本波反射面の一部の領域のみであり、その他の領域では、基本波及び変換波を反射する好ましい形態である。本実施の形態７では、基本波反射面で変換波が反射される場合、基本波反射面は、変換波の光路を傾け、変換波は反射のたびに光路を変える。変換波が透過する透過部位を基本波反射面の一部の領域のみとすることで、変換波が透過部位に達したときのみ出力されることとなる。変換波は透過領域のみから出射されるため、複数の変換波ビームが透過領域によって限定された領域から出射することとなる。変換波の出射領域を限定することで、変換波の出射領域面積を非常に小さくし、複数の変換波ビームを細い一つの光束として取り扱えるようにすることができる。【０１２４】
（実施の形態８）
図１２（Ａ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザ１０７の構成を示す概略上面図であり、図１２（Ｂ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザ１０７の構成を示す概略側面図である。実施の形態８において、実施の形態１〜７と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【０１２５】
波長変換レーザ１０７は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２及び波長変換素子８０を備える。【０１２６】
波長変換素子８０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３結晶からなる。波長変換素子８０の形状は、基本波が入射する端面８２の面積よりも、変換波が出射する反対側の端面８３の面積の方が小さくなっており、側面の断面形状が台形形状からなる柱状となっている。波長変換素子８０の長さは、例えば１０ｍｍであり、端面８２は、幅が例えば４ｍｍであり、厚みが例えば２ｍｍである矩形形状となっており、端面８３は、幅が例えば１ｍｍであり、厚みが例えば０．７５ｍｍである矩形形状となっている。【０１２７】
端面８２は、凸型球面であり、曲率半径は例えば２４ｍｍであり、基本波入射口８１を除き、基本波と変換波とを反射する反射コートが形成されている。端面８３は、平面であり、基本波を反射する反射コート及び変換波を透過する透過コートが形成されている。波長変換素子８０の側面は、基本波及び変換波を全反射する。基本波入射口８１は、基本波を透過する透過コートが形成されており、径の大きさが例えば２００μｍであり、端面８２の中央から幅方向に例えば１．２ｍｍずれた位置に形成されている。球面形状の端面８２と平面形状の端面８３とが波長変換素子８０の長手方向の一対の基本波反射面となっている。変換波は、端面８３から複数のビームが重なった状態で出射される。【０１２８】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口８１内に収まるように集光され、波長変換素子８０に入射する。入射した基本波は、波長変換素子８０の長手方向に進行し、波長変換素子８０の側面、端面８３及び端面８２によって反射されることにより、端面８２と端面８３との間を往復する。往復する基本波は、複数個所で交差する。また、往復する基本波は、集光レンズ２と球面形状の端面８２との集光力により、複数の集光点を形成する。【０１２９】
このとき、波長変換素子８０は、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。波長変換素子８０は、内部を進行する基本波から、変換波を発生させる。複数の変換波ビームは、平面形状の端面８３から重なって出力される。出力される一方の端面８３の面積が他方の端面８２よりも小さいため、多くの変換波が、波長変換素子８０の側面で反射された後に端面８３から出射される。このようにして、重なって出力される変換波は、強度分布が平均化されて出力されることとなる。【０１３０】
なお、本実施の形態８において、波長変換素子８０の端面８２，８３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態８において、波長変換素子８０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。【０１３１】
本実施の形態８は、波長変換素子８０の一方の端面８３に基本波を反射するとともに変換波を透過するコートが形成され、当該端面８３の面積が他方の端面８２よりも小さい好ましい形態である。変換波を出射する端面８３の面積が、基本波を入射する端面８２よりも小さいため、複数の変換波は出射するときに重なって出力される。出力される変換波ビームは、重畳されることにより、強度分布が平均化される。出力されるビームの強度分布が平均化されているため、波長変換レーザ１０７は、加工や照明などの分野において、直接使用することが可能となる。また、変換波の出射面積が小さいため、変換波に用いる光学部品の小型化が可能となる。【０１３２】
図１３は、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示す波長変換レーザ１０７を用いた画像表示装置２００の構成を示す概略図である。画像表示装置２００は、波長変換レーザ１０７、投影光学系８５、空間変調素子８６、投射光学系８７及び表示面８８を備える。【０１３３】
波長変換レーザ１０７の端面８３から出力される変換波は、矩形形状であり、平均化された強度分布を有する。投影光学系８５は、端面８３から出射した変換波を空間変調素子８６に拡大投影する。空間変調素子８６は、端面８３と相似な形状を有し、横と縦との比が４：３の矩形形状となっている。空間変調素子８６は、例えば透過型液晶と偏光板とからなり、各色のレーザ光を変調し、２次元に変調したレーザ光を出射する。投射光学系８７は、空間変調素子８６によって変調されたレーザ光を表示面８８に投影する。【０１３４】
本実施の形態８は、波長変換レーザ１０７における波長変換素子８０の両端面のうちの変換波を透過する端面８３の像が、変換波を変調する空間変調素子８６に投影される好ましい形態である。本実施の形態８は、複数のビームからなる変換波を波長変換レーザ１０７の波長変換素子８０の端面８３の形状に応じて整形し、また、複数の変換波を重ねることで強度分布を平均化することができる。このような波長変換レーザ１０７の特徴をいかし、空間変調素子８６に波長変換素子８０の端面８３の像を投影することで、効率よく変換波を用いることができる。ビーム整形するための光学部品が不要となるので、ビーム整形によるロスを抑え、必要な光学部品数を減らすことができる。なお、投影光学系８５には、レンズの他、強度分布を整える拡散板などをさらに配してもよい。【０１３５】
画像表示装置２００は、波長変換レーザと、波長変換レーザから出射した変換波を変調する変調素子とを有する好ましい形態である。波長変換レーザは、複数の波長変換光を出射しながら、小さい面積の端面から一定角度内で出射するため、変換波を変調素子に非常に効率よく導くことができる。このため、光利用効率が高い画像表示装置の実現が可能となる。光利用効率を高めることで、画像表示装置２００全体の消費電力を低くすることができる。特に、光源の電力消費が大部分を占める対角３０インチ以上の表示を行う画像表示装置に対して有効である。なお、変調素子は、透過型又は反射型の液晶素子などの空間光変調素子の他に、走査ミラーのように光をスキャンしてビームの表示される場所を変調する素子を含む。【０１３６】
画像表示装置２００の応用例としては、プロジェクタ、液晶ディスプレイ及びヘッドアップディスプレイなどが挙げられる。【０１３７】
また、画像表示装置２００は、実施の形態８における波長変換レーザ１０７を用いているが、本発明は特にこれに限定されず、波長変換レーザ１０７の替わりに、実施の形態１〜７に示す波長変換レーザ１００〜１０６及び後述する実施の形態９，１０に示す波長変換レーザ１０８，１０９を用いてもよい。【０１３８】
（実施の形態９）
図１４は、本発明の実施の形態９における波長変換レーザ１０８の構成を示す概略図である。なお、実施の形態９において、実施の形態１〜８と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【０１３９】
波長変換レーザ１０８は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子１０、樹脂クラッド１４及び振動機構９１を備える。【０１４０】
波長変換レーザ１０８は、実施の形態１で説明した波長変換レーザ１００に、波長変換素子１０をレーザ光の出射中に動作させる振動機構９１を取り付けた構成である。振動機構９１は、基本波入射口１１への基本波の入射方向に交わる回転軸Ｒ１を中心として、波長変換素子１０を横方向Ｙ１に回転振動させる。振動機構９１は、樹脂クラッド１４に取り付けられている。振動機構９１は、例えば電磁コイルからなり、変換波を出射する端面１３を振幅０．２ｍｍ及び周波数２００Ｈｚで往復動作させる。【０１４１】
波長変換素子１０は、内部を進行する基本波から変換波を発生させるが、基本波反射面間の片道のみの光路で発生する変換波の量は、ビーム強度と位相整合条件からのずれとに基づいて決まる。波長変換素子１０が微動することにより、時間により基本波の各光路の角度が変化し、位相整合条件からのずれ量が変化する。出射端面１３からは、各光路で発生した変換波の複数のビームが重畳されて出力されている。【０１４２】
出射される変換波の強度分布は、各光路で発生する変換波の量が変化するため、時間により変化することとなる。時間により出射される変換波の強度分布が変化することで、時間により出射される変換波の干渉条件も変化することとなる。これは、時間により干渉パターンが変化することを意味し、時間積分することにより干渉ノイズを平均化し、干渉ノイズを低減することができる。特に、ディスプレイ及び照明の分野で問題となるスペックルノイズを低減することができる。また、変換波の強度分布は変化するが、各光路が変換効率を補償する関係にあるため、変換波の合計出力は大きく変化しない。【０１４３】
本実施の形態９は、変換波の出射中に波長変換素子１０を振動させる好ましい形態である。変換波の出射中に波長変換素子１０を微動させることで、出力される変換波の干渉ノイズを低減することができる。本実施の形態９では、複数のビームからなる変換波を重畳して出力するが、この変換波の強度分布を時間的に変化させることで、干渉ノイズを低減することができる。本実施の形態９では、各基本波光路の変換効率の低下を補償しているため、変換波の強度分布は変化するが、合計出力は大きく変化することはない。【０１４４】
（実施の形態１０）
図１５は、本発明の実施の形態１０における波長変換素子１１０の外観形状を示す概略図である。図１６（Ａ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザ１０９の構成を示す概略上面図であり、図１６（Ｂ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザ１０９の構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態１０において、実施の形態１〜９と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【０１４５】
波長変換レーザ１０９は、基本波レーザ光源１、波長変換素子１１０、樹脂クラッド１１４、金属ホルダ１１５及び集光レンズ１１７を備える。波長変換素子１１０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子１１０の長手方向の一方の端面１１２には、基本波が入射する基本波入射口１１１が形成されている。【０１４６】
波長変換素子１１０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子１１０は、長さが例えば１０ｍｍであり、幅が例えば５ｍｍであり、厚みが例えば２０μｍの平板形状となっている。波長変換素子１１０の厚み方向は、樹脂クラッド１１４で覆われており、波長変換素子１１０はマルチモードのスラブ型の光導波路として機能する。波長変換素子１１０の長手方向の両端面には、基本波入射口１１１を除いて、基本波を反射する反射コートが形成されている。【０１４７】
また、基本波入射口１１１が形成されていない端面１１３は、基本波を反射する反射コートと共に変換波を透過する透過コートが形成されており、変換波の出力面となっている。また、基本波が入射する端面１１２は、変換波を反射する反射コートが形成されており、波長変換レーザ１０９では、出力面は端面１３のみとしている。基本波入射口１１１は、平面形状の端面１１２の中心から横方向にずれた位置に形成されている。基本波入射口１１１の大きさは、例えば１００μｍ×２０μｍである。基本波入射口１１１には、基本波に対するＡＲコートが形成されている。【０１４８】
基本波入射口１１１を有する一方の端面１１２は、平面形状を有する。他方の端面１１３は、図１５の横方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。端面１１３の曲率半径は、例えば２００ｍｍである。波長変換素子１１０は、樹脂クラッド１１４を介して金属ホルダ１１５に固定され、金属ホルダ１１５によって放熱される。集光レンズ１１７は、基本波入射口１１１に基本波が入るように集光している。【０１４９】
波長変換素子１１０は、スラブ型の光導波路として基本波を導波し、端面１１２と端面１１３とで反射させることで繰り返し往復しながら光路を変化させ、基本波の集光点を形成するとともに基本波を交差させる。波長変換素子１１０内で基本波から変換された変換波は、端面１１３から出射される。【０１５０】
なお、本実施の形態１０において、波長変換素子１１０の端面１１２，１１３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。【０１５１】
波長変換レーザ１０９は、波長変換素子１１０が、側面において基本波及び変換波を全反射させるスラブ型の光導波路である好ましい形態である。すなわち、本実施の形態１０は、波長変換素子１１０が、所定の厚みを有する平板形状であり、樹脂クラッド１１４が、平板形状の波長変換素子１１０の互いに対向する２つの最大面積面に形成される好ましい形態である。波長変換素子１１０をスラブ型の光導波路とすることで、厚み方向の基本波のビームの拡がりを抑え、基本波が波長変換素子１１０内において反射を繰り返しても高い光強度を維持することができる。【０１５２】
これにより、基本波のどの光路でも、波長変換効率を高めることができる。特に、本実施の形態１０では、波長変換素子１１０は、マルチモードのスラブ型の光導波路の機能を有することが好ましい。本実施の形態１０では、波長変換素子１１０に入射した基本波の多くが反射を繰り返す間に変換されるため、波長変換素子１１０のビーム結合効率を高めることが重要となる。このため、波長変換素子１１０は、ビーム結合効率を高めやすいマルチモードの光導波路の機能を有することがよい。またマルチモードの光導波路の機能を有することで、モードによる位相整合条件の違いから、波長変換素子１１０の温度許容幅を拡げることができる。【０１５３】
波長変換素子１１０と金属ホルダ１１５との間の樹脂クラッド１１４の厚みは、例えば５μｍである。金属ホルダ１１５と波長変換素子１１０との間に形成される樹脂クラッド１１４は、１０μｍ以下であることが好ましい。樹脂クラッド１１４を薄くすることで、熱抵抗を下げ、波長変換素子１１０から発生した熱を金属ホルダ１１５によって放熱することができる。特に、ハイパワーの基本波及び変換波を用いる時、より効果的に波長変換素子１１０の熱を逃がすことができる。波長変換素子１１０の温度許容幅が広い場合は、特にペルチェ素子などで温度制御する必要はなく、金属ホルダ１１５の放熱機構のみあればよい。【０１５４】
なお、本発明は、上記実施の形態１〜１０に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。当然、本発明の各実施の形態１〜１０を組み合わせて用いることもできる。【０１５５】
なお、本実施の形態１〜１０において、波長変換素子内に形成される基本波の複数の集光点のうち一部が、基本波の交差点と重なりを有していても構わない。ほとんどの基本波の複数の集光点が、基本波の交差点と一致していなければよい。【０１５６】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。【０１５７】
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する光源と、前記光源から出射した前記基本波を、前記基本波と波長の異なる変換波に変換する波長変換素子とを備え、前記波長変換素子の光軸方向の両端側に位置し、前記基本波を反射することにより、前記波長変換素子内において前記基本波を複数回通過させる一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方の基本波反射面は、前記変換波を透過させ、前記一対の基本波反射面は、前記基本波を前記波長変換素子内で交差させ、前記基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。【０１５８】
この構成によれば、一対の基本波反射面によって、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、基本波が波長変換素子内で交差し、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。【０１５９】
したがって、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、かつ基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるので、安定して高い変換効率を得ることができ、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を小さくすることができ、その結果、装置全体を小型化することができる。【０１６０】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の側面は、前記基本波を前記波長変換素子の内部に反射することが好ましい。【０１６１】
この構成によれば、波長変換素子の側面によって、基本波が波長変換素子の内部に反射されるので、基本波が波長変換素子内を通過する面積を一定範囲に保ち続けることができる。また、波長変換素子を通過する基本波の強度分布を平均化し、基本波のパワー密度が高い場所を分散させることができる。【０１６２】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子よりも屈折率が低い材料で形成され、前記波長変換素子の側面を被覆する反射部をさらに備えることが好ましい。【０１６３】
この構成によれば、波長変換素子よりも屈折率が低い材料で形成される反射部によって、波長変換素子の側面を被覆するので、波長変換素子の側面で基本波及び変換波を全反射させ、基本波及び変換波を波長変換素子内に折り返すことができる。【０１６４】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記反射部を介して前記波長変換素子の温度を調整する温度調整機器をさらに備えることが好ましい。【０１６５】
この構成によれば、反射部を介して波長変換素子の温度が調整されるので、温度調整機器への基本波及び変換波の吸収を除去し、精確な温度制御を行うことができる。【０１６６】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の光軸に交わる断面の形状は、矩形形状であり、前記基本波の偏光方向は、前記断面の一辺と平行であることが好ましい。【０１６７】
この構成によれば、偏光方向に対し、基本波が反射する波長変換素子の側面が平行もしくは垂直であるので、反射による偏光方向の変化をなくし、効率のよい波長変換を行うことができる。【０１６８】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型形状となっていることが好ましい。【０１６９】
この構成によれば、波長変換素子の凸型形状の端面は、反射する基本波に対し凹面ミラーとして働き、波長変換素子内に集光点を作成することができる。また、基本波を反射し、変換波を透過する波長変換素子の凸型形状の端面は、変換波に対して凸レンズとして働き、出射する変換波の拡がり角を抑えることができる。【０１７０】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型シリンドリカル形状となっていることが好ましい。【０１７１】
この構成によれば、波長変換素子内で形成される集光点をビームの径方向に異ならせ、基本波のパワー密度の集中を回避することができる。【０１７２】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面のうちの一方は、シリンドリカル面を含み、他方は、球面を含むことが好ましい。【０１７３】
この構成によれば、波長変換素子の両端面のうちの一方をシリンドリカル面とすることで、ビームの回折をなくし、一対の基本波反射面を基本波が往復する間にビーム径が拡がることを防止することができる。【０１７４】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、前記波長変換素子の両端面のうち、前記基本波を反射するとともに前記変換波を透過する一方の端面の面積は、他方の端面よりも小さいことが好ましい。【０１７５】
この構成によれば、波長変換素子の両端面のうち、基本波を反射するとともに変換波を透過する一方の端面の面積が、他方の端面よりも小さいため、複数の変換波が重なって出力され、強度分布を平均化することができる。【０１７６】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の厚み及び幅は、１ｍｍ以下であることが好ましい。【０１７７】
この構成によれば、波長変換素子の厚み及び幅を１ｍｍ以下とし、変換波の光源面積を１ｍｍ×１ｍｍの範囲内とすることで、十分に小さな範囲に変換波をまとめることができる。【０１７８】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子は、所定の厚みを有する平板形状であり、前記反射部は、平板形状の前記波長変換素子の互いに対向する２つの最大面積面に形成されることが好ましい。【０１７９】
この構成によれば、厚み方向の基本波のビームの拡がりを抑え、基本波が波長変換素子内において反射を繰り返しても高い光強度を維持することができる。【０１８０】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、前記波長変換素子の両端面のうちの一方の端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過し、前記変換波を伝搬させるマルチモード光ファイバーに接続されることが好ましい。【０１８１】
この構成によれば、波長変換素子から複数の変換波が出射されるが、複数の変換波を一つの光束として直接マルチモード光ファイバーに入射させることにより、様々な場所へ変換波を容易に伝送することができる。【０１８２】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記マルチモード光ファイバーにおける前記波長変換素子との接続端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過することが好ましい。【０１８３】
この構成によれば、波長変換素子の端面から漏れ出した基本波と、変換波とを分離することができ、変換波のみを伝送させることができる。【０１８４】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記変換波を透過させる基本波反射面は、前記変換波を透過させる透過領域と、前記基本波及び前記変換波を共に反射させる反射領域とを含むことが好ましい。【０１８５】
この構成によれば、変換波は透過領域のみから出射されるため、複数の変換波ビームが透過領域によって限定された領域から出射することとなる。変換波の出射領域を限定することで、変換波の出射領域面積を非常に小さくし、複数の変換波ビームを細い一つの光束として取り扱えるようにすることができる。【０１８６】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記変換波の出射中に前記波長変換素子を振動させる振動機構をさらに備えることが好ましい。【０１８７】
この構成によれば、変換波の出射中に波長変換素子が振動されるので、出力される変換波の干渉ノイズを低減することができる。【０１８８】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の両端面のうちの前記変換波を透過する端面の像は、前記変換波を変調する変調素子に投影されることが好ましい。【０１８９】
この構成によれば、複数の変換波を波長変換素子の端面の形状に応じて整形し、複数の変換波を重ねることで強度分布を平均化することができる。また、ビーム整形するための光学部品が不要となるので、ビーム整形によるロスを抑え、必要な光学部品数を減らすことができる。【０１９０】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方は、前記基本波及び前記変換波を反射する反射膜を有し、前記複数の集光点は、前記反射膜の近傍に形成され、前記反射膜は、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含むことが好ましい。【０１９１】
この構成によれば、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜は、熱の伝達経路として機能し、基本波が集光することによる局所的な波長変換素子の温度上昇を低減することができる。【０１９２】
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、上記のいずれかに記載の波長変換レーザと、前記波長変換レーザから出射した変換波を変調する変調素子とを備える。【０１９３】
この画像表示装置においては、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、かつ基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるので、安定して高い変換効率を得ることができ、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を小さくすることができ、その結果、装置全体を小型化することができる。【０１９４】
なお、発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１９５】
本発明に係る波長変換レーザ及び画像表示装置は、安定して高い変換効率を得ることができるとともに、小型化することができ、基本波の波長変換を行い、基本波とは波長の異なる変換波を出力する波長変換レーザ及び波長変換レーザを備える画像表示装置として有用である。
【図１】
2009093431.tif 000003
【図２】
2009093431.tif 000004
【図３】
2009093431.tif 000005
【図４】
2009093431.tif 000006
【図５】
2009093431.tif 000007
【図６】
2009093431.tif 000008
【図７】
2009093431.tif 000009
【図８】
2009093431.tif 000010
【図９】
2009093431.tif 000011
【図１０】
2009093431.tif 000012
【図１１】
2009093431.tif 000013
【図１２】
2009093431.tif 000014
【図１３】
2009093431.tif 000015
【図１４】
2009093431.tif 000016
【図１５】
2009093431.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2009093431.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月3日(2009.9.3)
【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】
基本波を出射する光源と、
前記光源から出射した前記基本波を、前記基本波と波長の異なる変換波に変換する波長変換素子とを備え、
前記波長変換素子の光軸方向の両端側に位置し、前記基本波を反射することにより、前記波長変換素子内において前記基本波を複数回通過させる一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方の基本波反射面は、前記変換波を透過させ、
前記一対の基本波反射面は、前記基本波を前記波長変換素子内で交差させ、前記基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成することを特徴とする波長変換レーザ。
【請求項２】
前記波長変換素子の側面は、前記基本波を前記波長変換素子の内部に反射することを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ。
【請求項３】
前記波長変換素子よりも屈折率が低い材料で形成され、前記波長変換素子の側面を被覆する反射部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の波長変換レーザ。
【請求項４】
前記反射部を介して前記波長変換素子の温度を調整する温度調整機器をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の波長変換レーザ。
【請求項５】
前記波長変換素子の光軸に交わる断面の形状は、矩形形状であり、
前記基本波の偏光方向は、前記断面の一辺と平行であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項６】
前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、
前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型形状となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項７】
前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型シリンドリカル形状となっていることを特徴とする請求項６記載の波長変換レーザ。
【請求項８】
前記一対の基本波反射面のうちの一方は、シリンドリカル面を含み、他方は、球面を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項９】
前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、
前記波長変換素子の両端面のうち、前記基本波を反射するとともに前記変換波を透過する一方の端面の面積は、他方の端面よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１０】
前記波長変換素子の厚み及び幅は、１ｍｍ以下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波長変換レーザ。
【請求項１１】
前記波長変換素子は、所定の厚みを有する平板形状であり、
前記反射部は、平板形状の前記波長変換素子の互いに対向する２つの最大面積面に形成されることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１２】
前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、
前記波長変換素子の両端面のうちの一方の端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過し、前記変換波を伝搬させるマルチモード光ファイバーに接続されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１３】
前記マルチモード光ファイバーにおける前記波長変換素子との接続端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過することを特徴とする請求項１２記載の波長変換レーザ。
【請求項１４】
前記変換波を透過させる基本波反射面は、前記変換波を透過させる透過領域と、前記基本波及び前記変換波を共に反射させる反射領域とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１５】
前記変換波の出射中に前記波長変換素子を振動させる振動機構をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１６】
前記波長変換素子の両端面のうちの前記変換波を透過する端面の像は、前記変換波を変調する変調素子に投影されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１７】
前記一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方は、前記基本波及び前記変換波を反射する反射膜を有し、
前記複数の集光点は、前記反射膜の近傍に形成され、
前記反射膜は、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含むことを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の波長変換レーザ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の波長変換レーザと、
前記波長変換レーザから出射した変換波を変調する変調素子とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【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、基本波の波長変換を行い、基本波とは波長の異なる変換波を出力する波長変換レーザ及び波長変換レーザを備える画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長変換素子の非線形光学現象を用いて、基本波を、第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ）、和周波又は差周波等の変換波に波長変換する波長変換レーザがある。
【０００３】
図１７は、従来の波長変換レーザの構成を示す概略図である。従来の波長変換レーザは、例えば図１７に示すように、基本波レーザ光源３０１と、基本波レーザ光源３０１から出射された基本波レーザ光を集光するレンズ３０２と、集光した基本波レーザ光の第２高調波を発生させる波長変換素子３０３と、基本波レーザ光と高調波レーザ光とを分離するダイクロイックミラー３０４とを備える。
【０００４】
波長変換素子３０３は、非線形光学結晶からなり、基本波と変換波との位相が整合するように、結晶の方位や分極反転構造等を適切に調節することにより、基本波の波長変換を行う。特に、分極反転構造を用いた波長変換素子は、擬似位相整合によって低パワーでも高効率の波長変換を行うことができ、設計によって様々な波長変換を行うことができる。分極反転構造とは、非線形光学結晶の自発分極を周期的に反転させた領域が設けられた構造からなる。
【０００５】
基本波を第２高調波に変換する変換効率ηは、波長変換素子の相互作用長をＬとし、基本波のパワーをＰとし、波長変換素子でのビーム断面積をＡとし、位相整合条件からのずれをΔｋとすると、下記の（１）式で表される。
【０００６】
η∝Ｌ２Ｐ／Ａ×ｓｉｎｃ２（ΔｋＬ／２）・・・（１）
【０００７】
また、相互作用長に対し適切な集光条件とした場合、変換効率ηは、下記の（２）式で表される。
【０００８】
η∝ＬＰ×ｓｉｎｃ２（ΔｋＬ／２）・・・（２）
【０００９】
上記の（２）式より、変換効率を高めるためには相互作用長を長くするか、基本波のパワーを増加させると良いこととなる。しかし、位相整合条件からのずれに対する許容幅が相互作用長に反比例する関係となるため、相互作用長を長くすると、温度調整及び基本波の条件が厳密となってしまう。また、基本波のパワーの増加は、波長変換素子の端面破壊や、光吸収で生じる発熱による変換効率の低下を導いてしまう。
【００１０】
例えば、特許文献１においては、入射したレーザ光を互いに同一の直線上にない複数の光路に導光する導光手段と、複数の光路に配設された波長変換手段と、波長変換手段により波長が変換されたレーザ光を取り出すレーザ光取り出し手段とを備えることで、光損傷を与えずに高効率に波長変換を行う波長変換装置が提案されている。
【００１１】
また、例えば、特許文献２においては、入射基本波レーザビーム経路に順次配置された複数の波長変換素子と、複数の波長変換素子を通過するレーザビームを収束させる複数の集光手段と、複数の波長変換素子で波長変換されたレーザビームの経路を変更するビームスプリッタとを備えることで、高効率な波長変換が可能な波長変換レーザ装置が提案されている。
【００１２】
さらに、例えば、特許文献３においては、分極反転素子の入射端から入射し波長変換を施され他端に達した光を、分極反転素子の他端に配置した反射体で反射させ、当該分極反転素子に光路を変えて再入射させ、再び分極反転素子内を進行させて波長変換を行うことで、波長変換効率を高めた波長変換素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−１２５９４３号公報
【特許文献２】特開平１１−４４８９７号公報
【特許文献３】特開２００６−２０８６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の従来の提案では、波長変換素子の相互作用長が短くとも高い変換効率が得られる。しかし、出力するビームが複数のビームとなっているため、これら複数のビームの取りまとめに複数の光学部品が必要となる。また、上記の従来の提案では、変換波の実効的な光源面積が大きくなり、変換波を集光するのが困難となる。その他にも、上記の従来の提案では、波長変換素子の必要な面積が大きくなり、コスト増につながるという課題がある。また、波長変換レーザでは、複数の光学部品を用いるため、製品化には部品の調整を緩和することが求められている。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、安定して高い変換効率を得ることができるとともに、小型化することができる波長変換レーザ及び画像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する光源と、前記光源から出射した前記基本波を、前記基本波と波長の異なる変換波に変換する波長変換素子とを備え、前記波長変換素子の光軸方向の両端側に位置し、前記基本波を反射することにより、前記波長変換素子内において前記基本波を複数回通過させる一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方の基本波反射面は、前記変換波を透過させ、前記一対の基本波反射面は、前記基本波を前記波長変換素子内で交差させ、前記基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。
【００１７】
この構成によれば、一対の基本波反射面によって、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、基本波が波長変換素子内で交差し、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、かつ基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるので、安定して高い変換効率を得ることができ、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を小さくすることができ、その結果、装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における波長変換素子の外観形状を示す概略図である。
【図２】図２（Ａ）は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図２（Ｂ）は、本発明の実施の形態１の波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図３】実施の形態１における温度調整機器の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２における波長変換素子の外観形状を示す概略図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図５（Ｂ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図６】図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す波長変換レーザに接続されるマルチモード光ファイバーの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３における波長変換レーザの構成を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態４における波長変換レーザの構成を示す概略上面図である。
【図９】本発明の実施の形態５における波長変換レーザの構成を示す概略上面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１０（Ｂ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１１（Ｂ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１２（Ｂ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１３】図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示す波長変換レーザを用いた画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態９における波長変換レーザの構成を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施の形態１０における波長変換素子の外観形状を示す概略図である。
【図１６】図１６（Ａ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図１６（Ｂ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。
【図１７】従来の波長変換レーザの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における波長変換素子１０の外観形状を示す概略図である。波長変換素子１０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子１０の形状は、長さが例えば１０ｍｍ、幅と厚みとがそれぞれ例えば１ｍｍのロッド型となっている。波長変換素子１０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子１０の長手方向の一方の端面１２には、基本波が入射する基本波入射口１１が形成されている。ロッド型の波長変換素子１０の長手方向の両端面には、基本波入射口１１を除いて、基本波を反射する基本波反射コートが形成されている。
【００２２】
また、基本波入射口１１が形成されていない長手方向の他方の端面１３は、基本波を反射する基本波反射コートと共に変換波を透過する変換波透過コートが形成されており、変換波の出力面となっている。また、端面１２には、変換波を反射する変換波反射コートが形成されており、波長変換素子１０では、変換波の出力面は長手方向の端面１３のみとしている。
【００２３】
基本波入射口１１は、端面１２の中心から横方向の端部にずれた位置に形成され、径の大きさは例えば１００μｍであり、基本波に対するＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コートが形成されている。基本波入射口１１を有する一方の端面１２は、図１の縦方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。他方の端面１３は、図１の横方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。両端面１２，１３の曲率半径は、例えば１３ｍｍである。
【００２４】
波長変換素子１０の側面は、屈折率が波長変換素子１０よりも低い樹脂クラッド１４で被覆され、樹脂クラッド１４を介して波長変換素子１０はホルダへの固定と温度調整とが行われる。樹脂クラッド１４は、波長変換素子１０の端面１２，１３を除いた面を被覆している。
【００２５】
図２（Ａ）は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図２（Ｂ）は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、基本波と変換波との光路を示している。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、ロッド形状の波長変換素子１０の上面図及び側面図である。
【００２６】
波長変換レーザ１００は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子１０及び樹脂クラッド１４を備える。
【００２７】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口１１内に収まるように集光され、波長変換素子１０に入射される。入射した基本波は、波長変換素子１０の長手方向に進行し、波長変換が行われる。基本波は、端面１３により反射され、波長変換素子１０内を再度進行する。得られた変換波は、端面１３から出射される。基本波入射口１１はロッド中心軸からずれた位置に形成されており、端面１３は、基本波入射口１１のロッド中心軸に対するずれ方向に曲率を有している。そのため、基本波は、上面から見た横方向に傾いて反射し、基本波入射口１１に帰還しないようになっている。
【００２８】
端面１３と端面１２とに反射コートが形成され、また波長変換素子１０の側面に樹脂クラッド１４が被覆されている。したがって、基本波は、端面１３と端面１２とで反射するとともに、側面の樹脂クラッド１４でも全反射するので、波長変換素子１０内を長手方向に繰り返し往復する。この往復時に、基本波の集光点が形成されるように、端面１２と端面１３とは凹面（シリンドリカル）ミラーとして機能する。
【００２９】
波長変換素子１０内を往復する基本波は、波長変換素子１０内で交差し、集光レンズ２による集光点の他に、端面１２と端面１３との曲率による集光点Ｐｂを形成する。このとき、基本波の交差点Ｐａと異なる箇所に複数の集光点Ｐｂが形成されることとなる。実施の形態１では、端面１２と端面１３とにシリンドリカル面を用いているため、ビームの径方向で異なる集光点Ｐｂを形成する。
【００３０】
変換波は、端面１２と波長変換素子１０の側面とで反射され、端面１３に導かれる。変換波は、端面１３から複数のビームの光束として出射される。端面１３は、１辺が例えば１ｍｍの矩形形状であり、非常に小さな出射口となっている。また、端面１３のシリンドリカル形状は、変換波に対し凸レンズとして働き、上面から見た横方向に広がる光束の拡がり角を抑えて出射する。
【００３１】
なお、本実施の形態１において、波長変換素子１０の端面１２，１３が、一対の基本波反射面の一例に相当し、樹脂クラッド１４が、反射部の一例に相当する。
【００３２】
本実施の形態１では、波長変換素子１０は、長手方向の両側に基本波反射面を有し、少なくとも一方の基本波反射面が変換波を透過し、基本波が波長変換素子１０内で交差し、交差点と異なる箇所で集光点が形成される。これにより、変換効率を高めながら、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を１箇所にまとめて小さくすることができ、また、波長変換素子１０の必要な面積を小さくすることができる。一対の基本波反射面間を往復する基本波が波長変換素子１０内を複数回通過し、かつ往復する基本波が複数の集光点を有することから、変換効率は、波長変換素子内を１回だけ基本波が通過する構成に対し、数倍もの値となる。
【００３３】
ここで、基本波が波長変換素子１０内を複数回通過するだけで、集光しない場合、回折の効果で基本波のビーム径が拡がり、パワー密度が低下することから、変換効率の上昇はわずかとなる。しかし、本実施の形態１では、波長変換素子１０内を通過するビームが集光点を有しているので、基本波のパワー密度が低下せず、変換効率を大きく増加させることができる。また、基本波が基本波反射面間を往復するとき、少なくとも一方の基本波反射面から変換波が出力される。そのため、波長変換の相互作用長は、波長変換素子１０の１往復以下となり、相互作用長が長くなるという問題も生じない。
【００３４】
本実施の形態１では、波長変換素子１０内で長手方向に往復する基本波を交差させ、基本波が通過する波長変換素子１０の幅と厚み方向の面積とを小さくしている。基本波が通過する波長変換素子１０の部位が変換波の発生源となるが、波長変換素子１０の幅と厚み方向の断面積とを小さくすることで、光源面積を減らすことができる。変換波の出射する断面積も小さくまとまっているため、複数ビームを簡易な光学部品で制御することができる。
【００３５】
本実施の形態１では、波長変換素子１０内に基本波の交差点と集光点とを有するが、このとき、基本波の交差点と集光点とが集中する構成では、基本波のパワー密度が高くなり過ぎ、波長変換素子１０へのダメージや光吸収が生じ、交差点及び集光点での波長変換が滞るという問題が生じる。本実施の形態１では、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を有することで、パワー密度が高く、かつ波長変換が強く行われる箇所を分散させることができ、安定して高い変換効率を得ることができる。なお、本実施の形態１の基本波の交差点とは、反射による交点は除き、基本波の光路が空間中で重なりをもつ点のことを指す。
【００３６】
実施の形態１では、波長変換素子１０内に入射した基本波の一部が基本波入射口１１から出射するが、基本波レーザ光源１に基本波が戻らないように、光アイソレータなどを用いることが好ましい。また、基本波入射口１１の周りには、波長変換素子１０から出射する基本波を吸収する遮光カバーを用いることが好ましい。
【００３７】
実施の形態１は、波長変換素子１０の長手方向の一対の基本波反射面に加え、波長変換素子１０の側面を用いて基本波を反射させることにより、基本波を波長変換素子１０内に折り返す好ましい形態である。通常、基本波が通過する波長変換素子１０の幅と厚み方向の面積とは、基本波の往復回数が増えると大きくなり、大きくなった面積分の基本波は出力として取り込めなくなる。
【００３８】
しかしながら、本実施の形態１では、波長変換素子１０の側面に樹脂クラッド（反射部）１４が形成され、基本波を波長変換素子１０の内部に反射させることで、基本波が波長変換素子１０内を通過する面積を一定範囲に保ち続けることができる。また、波長変換素子１０の側面において基本波を反射させることで、基本波が通過する面積を限定し、変換波の光源面積を定めることで、出射する変換波を容易に制御することができる。また、波長変換素子１０の側面において基本波を反射させることで、波長変換素子１０を通過する基本波の強度分布を平均化し、基本波のパワー密度が高い場所を分散させることができる。波長変換素子１０の側面は、基本波と共に変換波を反射することが好ましい。変換波を一定面積の出力側の端面１３に導くことができるとともに、変換波の強度を均一化することができる。
【００３９】
本実施の形態１は、波長変換素子１０の側面を波長変換素子１０よりも屈折率が低い材料で被覆している好ましい形態である。波長変換素子１０よりも屈折率が低い材料で被覆することにより、波長変換素子１０の側面で基本波及び変換波を全反射させ、基本波及び変換波を波長変換素子１０内に折り返すことができる。また、波長変換素子１０の保護層及び保温層として被覆部（反射部）を用いることができる。特に、被覆部は、変形及び加工が可能な樹脂材料が好ましい。波長変換素子１０である非線形結晶は、硬くてもろく、衝撃などで破損する場合があるが、樹脂材料で被覆することで、振動や変形に対しても強くなる。また、樹脂材料の加工により、波長変換素子１０を保持する保持部との接合が容易となる。樹脂材料には、例えば、ＵＶ硬化樹脂、熱硬化樹脂及び熱可塑性樹脂などを用いることができる。
【００４０】
樹脂クラッド１４は、波長変換素子１０の温度を一定に調整する温度調整機器と接合されている。図３は、実施の形態１における温度調整機器の構成を示す図である。温度調整機器１５は、金属ホルダ１６、ペルチェ素子１７及び放熱フィン１８を備える。
【００４１】
金属ホルダ１６は、例えば、矩形状の金属材料で形成され、波長変換素子１０及び樹脂クラッド１４を保持する。金属ホルダ１６は、樹脂クラッド１４の側面全周を被覆している。ペルチェ素子１７は、冷却面が金属ホルダ１６の一側面に接合されており、金属ホルダ１６から熱を吸収する。放熱フィン１８は、ペルチェ素子１７の発熱面側に配置されており、ペルチェ素子１７から熱を放出する。波長変換素子１０から発生する熱は、樹脂クラッド１４及び金属ホルダ１６に伝達し、金属ホルダ１６は、ペルチェ素子１７によって冷却される。さらに、放熱フィン１８によって、ペルチェ素子１７から発生する熱が放出される。
【００４２】
本実施の形態１は、波長変換素子１０を被覆する反射部（樹脂クラッド１４）に温度調整機器１５が接続されている好ましい形態である。波長変換素子１０に直接温度調整機器１５を接続した場合、波長変換素子１０と温度調整機器１５との接続部で反射面間を往復する基本波を吸収し、温度調整機能が精確に動作しない場合がある。一方、本実施の形態１では、基本波及び変換波を全反射する反射部（樹脂クラッド１４）と温度調整機器１５とを接続することで、温度調整機器１５への基本波及び変換波の吸収を除去し、精確な温度制御を行うことができる。また、反射部（樹脂クラッド１４）は、波長変換素子１０の側面全周を覆っており、波長変換素子１０全体を一定の温度で保持する役割も果たす。
【００４３】
基本波レーザ光源１は、１０６４ｎｍの波長を発振し直線偏光性を有するファイバーレーザで構成される。波長変換レーザ１００では、波長変換素子１０へ入射する基本波の偏光方向ＰＤは、図２（Ｂ）の側面図の上下方向としている。基本波の偏光方向ＰＤは、分極反転が形成されるＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸方向と一致し、効率よく波長変換を行うことができる。
【００４４】
波長変換素子１０の光軸に垂直な面の断面形状は、前記した偏光方向ＰＤに平行な辺と垂直な辺とを有する矩形形状である。本実施の形態１は、波長変換素子１０の光軸に垂直な面の断面形状が矩形形状であり、少なくとも一辺が波長変換素子１０に入射する基本波の偏光方向ＰＤと平行であり、波長変換素子１０の側面で基本波を反射する好ましい形態である。
【００４５】
本実施の形態１では、波長変換素子１０の側面の反射を用いて、基本波を波長変換素子１０内に折り返すが、このとき、偏光方向が変化すると、変換効率が低下するという問題がある。本実施の形態１では、偏光方向に対し、反射する側面が平行もしくは垂直であるため、偏光方向の変化をなくし、側面の反射を用いても、効率のよい波長変換を行うことができる。非線形光学結晶は、光学軸を有するため、波長変換を行うには偏光方向を光学軸に合わせる必要がある。
【００４６】
実施の形態１は、波長変換素子１０の端面が基本波反射面となり、端面が凸型形状となっている好ましい形態である。また、実施の形態１は、一対の基本波反射面が、波長変換素子１０の光軸方向の両端面に形成され、波長変換素子１０の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型形状となっている好ましい形態である。
【００４７】
波長変換素子１０は、長手方向の両端面に基本波反射面を有し、両端面は、軸が互いに垂直となる凸型シリンドリカル形状である。波長変換素子１０の端面が基本波反射面を兼ねることにより、波長変換素子１０と基本波反射面との調整工程を省くことができる。従来、基本波が非線形光学結晶を複数回通過する場合、調整軸が多くなることが課題となる場合がある。しかしながら、本実施の形態１では、調整軸数を減らし、波長変換素子１０内に集光する基本波が複数回通過する構成をコンパクトに実現することができる。
【００４８】
また、波長変換素子１０内を基本波が往復するため、基本波が波長変換素子１０を通過する際に透過する面がなく、光学的な損失を排除することができる。波長変換素子１０の凸型形状の端面は、反射する基本波に対し凹面ミラーとして働き、波長変換素子１０内に集光点を作成することができる。また、基本波を反射し、変換波を透過する波長変換素子１０の凸型形状の端面は、変換波に対して凸レンズとして働き、出射する変換波の拡がり角を抑えることができる。なお、波長変換素子１０の両端面のうちの一方のみに凸型の基本波反射面が形成されている構成でもよい。また、凸型形状は、球面形状ではなく非球面形状としてもよい。
【００４９】
本実施の形態１は、基本波反射面を有する波長変換素子１０の両端面のうちの少なくとも一方が凸型シリンドリカル形状となっている好ましい形態である。基本波反射面をシリンドリカル面とすることで、波長変換素子１０内で形成される集光点をビームの径方向に異ならせ、基本波のパワー密度の集中を回避することができる。また、凸面をシリンドリカル形状とすることで、球面形状にするよりも調整軸を１軸減らすことができ、調整工程を容易にすることができる。波長変換素子１０の端面の加工も１軸加工ですむため、製造コストの低減が可能となる。
【００５０】
特に、断面が矩形形状の波長変換素子１０の場合、シリンドリカル面の軸方向は、矩形形状の断面の辺と一致していることが好ましい。シリンドリカル面の軸方向と矩形形状の断面の辺とを一致させることで、基本波が波長変換素子１０の側面を反射するときの偏光方向の回転をなくすことができる。
【００５１】
波長変換素子１０は、波長変換素子１０の両端面が凸型シリンドリカル形状の基本波反射面であり、シリンドリカル形状の軸が互いに直交する好ましい形態である。集光力を有する２つの反射面の軸を互いに直交させることで、波長変換素子１０内で形成される集光点を互いに直交する方向に異ならせる。また、シリンドリカル形状の軸が互いに直交することで、波長変換素子１０の調整軸を２軸独立に扱うことができ、調整を容易にする。また、各１軸ずつ加工すればよいので、調整を含め製造コストの低減が可能である。
【００５２】
特に、シリンドリカル面の曲率半径を２面とも、波長変換素子長以上とすることが好ましい。曲率半径を上記の条件とすることで、ビームの集光特性を確保しながら、ビームを往復させることができる。特に、図２（Ｂ）の波長変換レーザ１００の側面図で示すように、光軸と基本波入射口１１との位置ずれが小さい径方向の光路は、安定共振条件となり、往復数が増してもビーム径を一定範囲に納めることができる。
【００５３】
波長変換素子１０は、厚み及び幅がそれぞれ１ｍｍ以下である好ましい形態である。波長変換素子１０の厚み及び幅は、変換波の光源面積に相当し、光源面積を１ｍｍ×１ｍｍの範囲内とすることで、十分に小さな範囲に変換波をまとめることができる。本実施の形態１では、複数の変換波ビームが出力されるが、複数の変換波ビームを小さな範囲にまとめることで、変換波ビームが複数であることを考慮せずに、ビーム整形及び伝播などの制御を各光学部品で行うことができる。
【００５４】
基本波レーザ光源１には、ファイバーレーザの他、半導体レーザ及び固体レーザなど各種レーザ光源を用いることができる。集光レンズ２は、基本波レーザ光を基本波入射口１１から基本波反射面に入射させるために用いられる。基本波レーザ光を１対の基本波反射面に入射させるため、本実施の形態１では各種光学部品を用いることができる。また、波長変換素子１０には、各種非線形材料を用いることができる。例えば、波長変換素子１０には、ＬＢＯ、ＫＴＰ、あるいは分極反転周期構造を有するＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３が用いられる。
【００５５】
本実施の形態１では、波長変換素子１０内で基本波が交差し、交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるように、基本波反射面に集光力のある曲面が用いられる。また、基本波反射面に入射するビームを集光させることでも、実施の形態１のような集光点を形成することができる。実施の形態１では、基本波反射面に凸型シリンドリカル面を用い、交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成し、波長変換素子１０の側面による反射とシリンドリカル面による反射とを用いて基本波を交差させている。
【００５６】
基本波入射口１１は、一対の基本波反射面間に基本波を入射させることが可能であればよく、形状は特に限定されない。本実施の形態１では、端面１２の反射コートの形成時に円状にマスキングすることによって、基本波入射口１１のみ基本波透過面としている。その他にも、基本波反射面の一部を加工して基本波入射口１１とすることができる。実施の形態１では、基本波入射口１１は、波長変換素子１０の端面１２の中心から横方向に大きくずれるとともに、縦方向にわずかにずれた位置に形成されているが、基本波入射口１１が形成される位置は特に限定されない。
【００５７】
なお、本実施の形態１では、変換波の出力面を波長変換素子１０の一方の端面のみとしているが、両端面から変換波を出力するように、端面１２に変換波に対する透過コートを施してもかまわない。
【００５８】
また、波長変換素子１０内で基本波が初めに集光する集光点のビーム形状は、楕円形状であることが好ましい。本実施の形態１では、集光レンズ２のレンズパワーにより、波長変換素子１０内で基本波が初めに集光される。このとき、集光レンズ２によって、基本波のＮＡ（開口数）は２つの軸方向に実効的に異なることとなり、楕円ビームとして波長変換素子１０に入射する。特に、初めの集光点は、変換が進んでおらず基本波のパワーが高いため、パワー密度が高くなりやすい。そのため、波長変換素子１０内で基本波が初めに集光する集光点のビーム形状を楕円形状とすることで、初めの集光点でのパワー密度の集中を回避することができる。
【００５９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における波長変換素子２０の外観形状を示す概略図である。図５（Ａ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略上面図であり、図５（Ｂ）は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザの構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００６０】
波長変換レーザ１０１は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子２０及び樹脂クラッド１４を備える。
【００６１】
波長変換素子２０は、分極反転周期構造を有するＬｉＴａＯ３結晶からなる。波長変換素子２０の形状は、長さが例えば１０ｍｍ、幅と厚みとがそれぞれ例えば０．８ｍｍのロッド型となっている。波長変換素子２０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子２０の長手方向の一方の端面２２には、基本波が入射する基本波入射口２１が形成されている。ロッド型の波長変換素子２０の長手方向の両端面には、基本波入射口２１を除いて、基本波を反射する基本波反射コートが形成されている。
【００６２】
また、基本波入射口２１が形成されていない長手方向の他方の端面２３は、基本波を反射する基本波反射コートと共に変換波を透過する変換波透過コートが形成されており、変換波の出力面となっている。また、端面２２には、変換波を反射する変換波反射コートが形成されており、波長変換素子２０では、変換波の出力面は長手方向の端面２３のみとしている。
【００６３】
基本波入射口２１は、端面２２の中心から横方向の端部にずれた位置に形成され、径の大きさは例えば９０μｍであり、基本波に対するＡＲコートが形成されている。基本波入射口２１を有する一方の端面２２は、図４の横方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。他方の端面２３は、凸型の球面形状を有する。端面２２の曲率半径は、例えば８ｍｍであり、端面２３の曲率半径は、例えば１２ｍｍである。
【００６４】
なお、本実施の形態２において、波長変換素子２０の端面２２，２３が、一対の基本波反射面の一例に相当し、樹脂クラッド１４が、反射部の一例に相当する。
【００６５】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口２１内に収まるように集光され、波長変換素子２０に入射される。入射した基本波は、波長変換素子２０の長手方向に進行し、波長変換が行われる。基本波は、端面２３により反射され、波長変換素子２０内を再度進行する。得られた変換波は、端面２３から出射される。端面２２と端面２３とは、基本波に対して凹面ミラーとして作用し、基本波は、端面２２と端面２３との間を複数の集光点を形成しながら往復する。往復する基本波は、波長変換素子２０内で交差するが、交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。
【００６６】
また、シリンドリカル面により、ビームの径方向に異なる集光点が形成され、波長変換素子２０の厚み方向の集光点は端面２２付近に形成される。また、集光レンズ２によっても、交差点と異なる箇所に集光点が形成される。変換波は、端面２３から複数のビームとなって出射されるが、端面２３の範囲でまとまった光束として扱うことができる。また、端面２３は、変換波に対し凸レンズとして働き、変換波の拡がり角を抑える。
【００６７】
本実施の形態２では、波長変換素子２０は、長手方向の両側に基本波反射面を有し、少なくとも一方の基本波反射面が変換波を透過し、基本波が波長変換素子２０内で交差し、交差点と異なる箇所で集光点が形成される。これにより、変換効率を高めながら、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を１箇所にまとめて小さくすることができ、また、波長変換素子２０の必要な面積を小さくすることができる。
【００６８】
本実施の形態２では、波長変換素子２０の端面に基本波反射面を有し、波長変換素子２０の端面が凸型形状となっている好ましい形態である。波長変換素子２０の端面に凸型形状の基本波反射面を有することで、波長変換素子２０内を往復する基本波を交差させ、基本波の集光点を波長変換素子２０内に作成することができる。本実施の形態２では、波長変換素子２０の端面を基本波に対する凹面ミラーとすることで、基本波を交差させるとともに集光させることができる。
【００６９】
波長変換レーザ１０１は、一対の基本波反射面のうちの一方がシリンドリカル面であり、他方が球面である好ましい形態である。このとき、シリンドリカル面の曲率の方向が、面中心に対して基本波入射口２１が形成されている方向と一致していることが好ましい。実施の形態２では、端面２２の中心に対し横方向にずれた位置に基本波入射口２１が形成され、端面２２は横方向に曲率を有するシリンドリカル面となっている。２つの端面が有する横方向の曲率により、基本波は波長変換素子２０内を複数回通過し、波長変換素子２０内で基本波が交差する。
【００７０】
また、波長変換素子２０の両端面のうちの一方のみをシリンドリカル面とすることで、端面２２の曲率中心から基本波入射口２１が形成されている位置に向かう方向に直交する方向でのビームの回折をなくし、一対の基本波反射面を基本波が往復する間にビーム径が拡がることを防止することができる。特に、球面の曲率半径を波長変換素子長よりも大きくすることで、シリンドリカルレンズのレンズパワーがない方向で安定共振条件となり、往復数が増えてもビーム径が一定に保たれ、変換効率を高めることができる。
【００７１】
また、波長変換素子２０の両端面のうちの一方を球面の代わりにシリンドリカル面とすることで、調整及び加工の軸が減り、レーザ作製のコストの低減が可能となる。特に、シリンドリカル面と球面との曲率半径の合計が、基本波反射面間の距離の１．８〜２．２倍となることが好ましい。この条件のとき、波長変換素子２０の側面の反射がなくとも、基本波反射面間における５回以上の基本波の往復が可能となる。シリンドリカル面と球面との曲率半径が、上記の条件を満たさない場合、基本波反射面間における基本波の往復が数回で停止する場合がある。
【００７２】
図６は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す波長変換レーザ１０１に接続されるマルチモード光ファイバー２１０の構成を示す図である。マルチモード光ファイバー２１０は、径が例えば０．８ｍｍである純粋石英からなるコア２１１と、Ｆ添加石英からなるクラッド２１２とを備える。マルチモード光ファイバー２１０は、波長変換レーザ１０１から得られた光を伝送するのに用いられる。コア２１１は、波長変換レーザ１０１からの変換波を伝搬させる。クラッド２１２は、コア２１１を被覆し、変換波をコア２１１の内部に反射させる。
【００７３】
波長変換素子２０とコア２１１とは直接接続され、波長変換素子２０の端面２３から出射する変換波がコア２１１に伝送される。波長変換素子２０から出射した変換波は、クラッド２１２によって反射されながら、コア２１１によって伝搬される。マルチモード光ファイバー２１０のコア２１１の接続面は、基本波を反射するとともに変換波を透過するコーティングがなされている。
【００７４】
波長変換素子２０は、厚み及び幅がそれぞれ例えば０．８ｍｍの矩形形状であり、複数のビームからなる変換波が端面２３から小さな面積内に収まって出射される。波長変換素子２０の端面の径は、光ファイバーのコア径と同程度である。そのため、変換波は複数ビームからなるが、波長変換レーザ１０１とマルチモード光ファイバー２１０とを直接接続することができる。また、端面２３は凸型形状を有するため、変換波が集光され、マルチモード光ファイバー２１０への結合効率を高めることができる。
【００７５】
本実施の形態２は、基本波を反射するとともに変換波を透過する基本波反射面が波長変換素子２０の端面２３に形成され、波長変換素子２０の端面２３がマルチモード光ファイバー２１０と接続される好ましい形態である。本実施の形態２の波長変換レーザ１０１は、複数の変換波ビームを出力することから、取り扱いが課題となる場合がある。しかしながら、複数の変換波を一つの光束として直接マルチモード光ファイバー２１０に出射することにより、様々な場所へ変換波を容易に伝送することができる。また、波長変換素子２０の厚み及び幅が１ｍｍ以下であるため、屈曲可能なコア径を有するマルチモード光ファイバー２１０へ複数の変換波ビームを直接接合させることができる。
【００７６】
波長変換素子２０の端面２３は、基本波を反射させるとともに変換波を透過させ、凸型形状を有する好ましい形態である。このような波長変換素子２０の端面２３を用いることで、本実施の形態２の波長変換レーザ１０１では、波長変換素子２０内において、基本波を往復させるとともに交差させ、さらに基本波の集光点を複数個所に設けることが可能となる。また、波長変換素子２０の端面２３は、出力する複数の変換波ビームを集光するレンズとして機能し、光ファイバーなどの光学部品への結合効率を高めることができる。特に、波長変換レーザ１０１をマルチモード光ファイバー２１０に直接接合する場合、波長変換素子２０の端面２３を凸型形状とすることで、偏芯があったとしても、結合効率を高めることができる。
【００７７】
本実施の形態２は、波長変換レーザ１０１からの基本波を反射するとともに変換波を透過するコーティングがマルチモード光ファイバー２１０の端面に施されている好ましい形態である。波長変換レーザ１０１とマルチモード光ファイバー２１０とを直接接合した場合、変換波と、波長変換素子２０の端面２３から漏れ出す基本波との分離が課題となる場合がある。そこで、コア２１１の端面のコーティングによって、波長変換レーザ１０１からの基本波と変換波とを分離し、変換波のみを伝送させる。また、クラッド２１２は、波長変換レーザ１０１から漏れ出す基本波が外部に出力されるのを遮断する役割を果たす。
【００７８】
なお、マルチモード光ファイバー２１０のコア２１１及びクラッド２１２としては、石英タイプの他、柔軟性が高い有機樹脂材料を用いることもできる。また、コア２１１の断面形状は、円形状だけでなく、矩形形状としてもよい。
【００７９】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における波長変換レーザ１０２の構成を示す概略図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
波長変換レーザ１０２は、ランダム偏光基本波レーザ光源３９、集光レンズ２、波長変換素子３０及び樹脂クラッド１４を備える。
【００８１】
波長変換素子３０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶（ＰＰＭｇＬＮ）からなり、結晶軸が互いに直交する第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とを含む。第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とは接合されている。図７において、左側に位置する第１の波長変換素子３５は、結晶のｚ軸が図７の上向きであるＰＰＭｇＬＮ↑からなり、右側に位置する第２の波長変換素子３６は、結晶のｚ軸が図７の奥行方向であるＰＰＭｇＬＮ←からなる。第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とは、オプティカルコンタクトされている。
【００８２】
波長変換素子３０の形状は、長さが例えば１６ｍｍであり、径が例えば１ｍｍである円筒型となっている。波長変換素子３０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子３０の長手方向の一方の端面３２には、基本波が入射する基本波入射口３１が形成されている。円筒型の波長変換素子３０の両端面３２，３３には、基本波入射口３１を除いて、基本波を反射する基本波反射コートが形成されている。
【００８３】
端面３３には、基本波反射コートとともに、変換波を透過する変換波透過コートが形成されており、端面３３は、変換波の出力面となっている。基本波入射口３１は、円筒状の端面３２の円弧近くにあり、径の大きさは例えば１００μｍであり、基本波に対するＡＲコートが形成されている。基本波入射口３１を有する一方の端面３２は、平面形状となっている。長手方向の他方の端面３３は、凸型の球面形状を有する。球面形状の端面３３の曲率半径は、例えば１０ｍｍである。
【００８４】
なお、本実施の形態３において、波長変換素子３０の端面３２，３３が、一対の基本波反射面の一例に相当し、樹脂クラッド１４が、反射部の一例に相当する。
【００８５】
ランダム偏光基本波レーザ光源３９は、ランダム偏光の基本波を出射する。ランダム偏光基本波レーザ光源３９から出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口３１内に収まるように集光され、波長変換素子３０に入射される。基本波は、波長変換素子３０の円筒の軸に対して、傾いて入射されている。入射した基本波は、波長変換素子３０の長手方向に進行し、ＰＰＭｇＬＮのｚ軸方向と一致する偏光成分について、第１の波長変換素子３５と第２の波長変換素子３６とでそれぞれ波長変換が行われる。
【００８６】
基本波は、球面形状の端面３３で反射された後、平面状の端面３２、端面３３及び波長変換素子３０の側面で反射され、波長変換素子３０間を長手方向に往復する。基本波が球面形状の端面３３と波長変換素子３０の側面とで反射することにより、基本波は波長変換素子３０内で交差することとなる。球面形状の端面３３は、基本波に対し凹面ミラーとして働き、往復する基本波が交差する交差点以外に、複数の集光点が形成される。
【００８７】
端面３２と波長変換素子３０の側面とは、変換波も反射する。波長変換された変換波は、端面３３より出射される。基本波の偏光方向は、波長変換素子３０の円筒側面及び端面３３の反射により変化する。波長変換素子３０は、結晶軸が互いに直交する２つの非線形材料（第１の波長変換素子３５及び第２の波長変換素子３６）を用いるため、偏光方向に関わらず、波長変換を行う。また、波長変換素子３０は、基本波が基本波反射面間を往復する間に、偏光方向が変化しても、波長変換を行うことができる。
【００８８】
本実施の形態３は、波長変換素子３０が結晶軸の直交する２つの部位（第１の波長変換素子３５及び第２の波長変換素子３６）で構成される好ましい形態である。波長変換素子が一対の基本波反射面を有し、基本波が波長変換素子を複数回通過するが、通過を繰り返すうちに、基本波の偏光方向が変わる場合がある。しかしながら、本実施の形態３では、基本波の偏光方向が、基本波反射面を往復する間に変化したとしても、常に波長変換を行うことができる。
【００８９】
特に、曲面での反射を用いる本実施の形態３の構成では、偏光が変化する場合があるため、有効である。また、ランダム偏光を出射する基本波レーザ光源を用いる場合、結晶軸が互いに直交する第１の波長変換素子３５及び第２の波長変換素子３６は、変換効率を高めるために必須な構成となる。
【００９０】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４における波長変換レーザ１０３の構成を示す概略上面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１〜３と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００９１】
波長変換レーザ１０３は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２及び波長変換素子４０を備える。
【００９２】
波長変換素子４０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子４０の形状は、長さが例えば１０ｍｍであり、幅と厚みとがそれぞれ例えば０．８ｍｍであるロッド型となっている。波長変換素子４０は、分極反転周期の異なる２種類の波長変換素子（第１の波長変換素子４５及び第２の波長変換素子４６）を含む。端面４２を有する第１の波長変換素子４５の分極反転周期は、２倍波を発生させる２倍波発生周期であり、端面４３を有する第２の波長変換素子４６の分極反転周期は、３倍波を発生させる３倍波発生周期である。第１の波長変換素子４５の分極反転周期は、基本波の２倍波を発生する擬似位相整合条件となるように設計されている。第２の波長変換素子４６の分極反転周期は、基本波と２倍波との和周波である３倍波を発生する擬似位相整合条件となるように設計されている。
【００９３】
波長変換素子４０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波（２倍波及び３倍波）に変換する。波長変換素子４０の長手方向の一方の端面４２には、基本波が入射する基本波入射口２１が形成されている。
【００９４】
ロッド型の波長変換素子４０の長手方向の端面４２には、基本波と２倍波とを反射する反射コートが形成されている。端面４３には、基本波を反射する反射コートと、２倍波と３倍波とを透過する透過コートが形成されている。端面４３からは、変換波である２倍波と３倍波とが出力される。基本波入射口２１は、端面４２の中心から横方向にずれた位置に形成され、径の大きさは例えば９０μｍであり、基本波に対するＡＲコートが形成されている。端面４２及び端面４３の形状は、実施の形態２の端面２２及び端面２３と同じであり、基本波は、実施の形態２と同様に波長変換素子４０内を往復する。そして、波長変換素子４０は、内部で基本波を交差させ、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。
【００９５】
波長変換レーザ１０３は、２倍波と３倍波とを出力する波長変換レーザである。基本波入射口２１から入射した基本波は、波長変換素子４０の長手方向に進行する。第１の波長変換素子４５を進行する基本波は、２倍波に変換される。第１の波長変換素子４５で得られる２倍波は、基本波に帯同して第１の波長変換素子４５を進行し、第２の波長変換素子４６に入射する。第２の波長変換素子４６に入射した基本波と２倍波とは、３倍波に変換される。得られた２倍波と３倍波とは、端面４３から出力される。基本波は、球面形状の端面４３で反射され、波長変換素子４０内を再度進行する。
【００９６】
端面４２と端面４３とは、基本波に対して凹面ミラーとして作用し、基本波は、端面４２と端面４３との間を複数の集光点を形成しながら往復する。往復する基本波は、波長変換素子４０内で交差するが、交差点と異なる箇所においても複数の集光点が形成される。基本波が第１の波長変換素子４５を進行するときに２倍波が発生し、発生させた２倍波と共に基本波が第２の波長変換素子４６を進行するときに３倍波が発生する。基本波は、波長変換素子４０を複数回通過するが、２倍波と３倍波とが繰り返し発生する。
【００９７】
なお、本実施の形態４において、波長変換素子４０の端面４２，４３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態４において、波長変換素子４０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。
【００９８】
本実施の形態４は、一対の基本波反射面を基本波が往復する間に、位相整合周期が異なる複数の波長変換素子により、高次の変換波を発生させる好ましい形態である。従来、高次の変換波（３〜５倍波など）への波長変換は非常に効率が低く、複雑な構成が必要であった。これに対し、本実施の形態４では、波長変換素子４０は、基本波及び変換波を複数回通過させるとともに、擬似位相整合周期により高次の変換波を発生させることで、効率のよい高次変換波の発生が可能となる。特に、本実施の形態４では、波長変換素子４０は、複数の集光点を分散させることで、高次変換波が発生する場所を分散させ、高次変換波がもたらす光吸収による変換効率の劣化及び波長変換素子４０へのダメージを低減させることができる。
【００９９】
本実施の形態４では、球面形状の端面４３は、２倍波と３倍波とを透過させるが、２倍波を反射する反射コートを形成し、３倍波のみを透過させる構成とすることができる。波長変換素子４０は、２倍波を一対の反射面間で繰り返し往復させることで、２倍波のパワーを大きくし、３倍波への変換効率をより向上させることができる。
【０１００】
（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５における波長変換レーザ１０４の構成を示す概略上面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１〜４と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１０１】
波長変換レーザ１０４は、基本波レーザ光源１、波長変換素子５０、凹面ミラー５３及びコリメートレンズ５４を備える。
【０１０２】
波長変換素子５０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子５０の形状は、長さが例えば１０ｍｍであり、幅が例えば２ｍｍであり、厚みが例えば１ｍｍである直方体形状である。波長変換素子５０の一方の端面５２には、基本波と変換波とを反射する反射コートが形成され、波長変換素子５０の長手方向の他方の端面５１には、基本波と変換波とを透過する透過コートが形成されている。凹面ミラー５３は、曲率半径が１０ｍｍの球面ミラーであり、基本波を反射する反射コートと変換波を透過する透過コートとが形成されている。凹面ミラー５３は、変換波を出力する出力ミラーとなっている。端面５２と凹面ミラー５３とが波長変換素子５０の長手方向にある一対の基本波反射面を構成する。
【０１０３】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、コリメートレンズ５４でコリメートされた後、凹面ミラー５３で反射され、波長変換素子５０に入射する。波長変換素子５０に入射した基本波は、端面５２、波長変換素子５０の側面及び凹面ミラー５３により反射され、波長変換素子５０を複数回通過する。波長変換素子５０を通過する基本波は、変換波に変換され、得られた変換波は凹面ミラー５３から出力される。凹面ミラー５３は、曲率により反射面を往復する基本波を集光させ、集光点を形成する。また、基本波は、波長変換素子５０の幅方向の側面で反射することにより、波長変換素子５０内を交差する。
【０１０４】
なお、本実施の形態５において、波長変換素子５０の端面５２及び凹面ミラー５３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態５において、波長変換素子５０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。
【０１０５】
本実施の形態５では、凹面ミラー５３による反射と波長変換素子５０の側面による反射とが用いられ、基本波が波長変換素子５０内で交差し、交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。このため、基本波及び変換波のパワー密度が高い場所を分散させながら、高い変換効率が得られると共に、複数のビームが出射される箇所を１箇所にまとめて小さくすることができる。
【０１０６】
波長変換素子５０では、曲率がない反射面である端面５２の近傍に複数の集光点が形成される。端面５２の基本波及び変換波を反射する反射コートは、波長変換素子５０側からＭｇＦ２とＴｉＯ２との９層の積層誘電体膜で形成され、積層誘電体膜の上に厚さ２００ｎｍのＡｌである金属膜が蒸着されて形成されている。
【０１０７】
本実施の形態５は、一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方が、基本波及び変換波を反射する反射膜を有し、複数の集光点が、反射膜の近傍に形成され、反射膜が、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含む好ましい形態である。波長変換素子５０は、端面５２の近傍に複数の集光点が形成され、端面５２は基本波及び変換波を反射する１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含む反射コートを有する。集光点では、強い光吸収が生じ、波長変換素子５０に局所的な発熱が生じる。集光点の近くに形成される金属膜は、熱の伝達経路として機能し、局所的な波長変換素子５０の温度上昇を低減する。波長変換素子５０の温度上昇は、素子の破壊及び変換効率の低下をもたらす場合があるが、金属膜を含む反射コートにより回避することができる。
【０１０８】
金属膜の厚さは、熱の伝達経路として機能するために、１００ｎｍ以上必要となる。また、金属膜は、金属からなるヒートシンクと直接接続されていることが好ましい。ヒートシンクと直接接続することで、熱の伝達経路を確保することができる。
【０１０９】
（実施の形態６）
図１０（Ａ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザ１０５の構成を示す概略上面図であり、図１０（Ｂ）は、本発明の実施の形態６における波長変換レーザ１０５の構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態６において、実施の形態１〜５と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１１０】
波長変換レーザ１０５は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子６０、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー６３を備える。
【０１１１】
波長変換素子６０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子６０の形状は、長さが例えば２５ｍｍであり、幅が例えば４ｍｍであり、厚みが例えば１ｍｍである直方体形状である。波長変換素子６０の長手方向の両端面には、基本波と変換波とに対するＡＲコートが形成されている。
【０１１２】
波長変換素子６０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子６０の長手方向の一方の端面には、基本波が入射する基本波入射口６１が形成されている。
【０１１３】
波長変換素子６０の長手方向の基本波レーザ光源１側の端面の近傍には、波長変換素子６０の基本波入射口６１の位置に応じて一部がカットされたシリンドリカルミラー６２が配置されている。シリンドリカルミラー６２は、基本波と変換波とを反射する反射コートを有する。シリンドリカルミラー６２は、波長変換素子６０の幅方向に曲率を有し、曲率半径は例えば２０ｍｍである。シリンドリカルミラー６２は、波長変換素子６０の幅方向の端部に形成された基本波入射口６１に基本波が入射するように、基本波の入射光路となる部分がカットされている。
【０１１４】
波長変換素子６０の長手方向の他方の端面の近傍には、球面の凹面ミラー６３が配置されている。凹面ミラー６３は、曲率半径が例えば２２ｍｍであり、基本波を反射する反射コートと変換波を透過する透過コートとを有している。凹面ミラー６３は、変換波を出力する出力ミラーとなっている。シリンドリカルミラー６２と凹面ミラー６３とで一対の基本波反射面が構成される。基本波反射面間の距離は、空気換算長で約２１ｍｍとしている。
【０１１５】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により集光され、基本波入射口６１から波長変換素子６０に入射される。波長変換素子６０に入射した基本波は、波長変換素子６０内で集光された後、凹面ミラー６３で反射され、波長変換素子６０に再入射する。波長変換素子６０を通過した基本波は、シリンドリカルミラー６２によって反射され、波長変換素子６０に再入射する。基本波は、シリンドリカルミラー６２と凹面ミラー６３との間を複数回往復し、波長変換素子６０を通過するときに変換波に変換される。変換波は、凹面ミラー６３から出力される。
【０１１６】
凹面ミラー６３及びシリンドリカルミラー６２の屈折により、基本波は波長変換素子６０内で交差する。集光レンズ２、凹面ミラー６３及びシリンドリカルミラー６２により、複数の集光点が形成される。シリンドリカルミラー６２により、ビームの径方向に異なる集光点が形成される。このとき、波長変換素子６０の厚み方向のビーム径は、安定共振条件となり、往復を繰り返しても一定のビーム径となる。集光レンズ２、凹面ミラー６３及びシリンドリカルミラー６２により、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。
【０１１７】
なお、本実施の形態６において、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー６３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態６において、波長変換素子６０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。
【０１１８】
本実施の形態６では、基本波が波長変換素子６０を複数回通過し、基本波が波長変換素子６０内で交差し、交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。このため、基本波及び変換波のパワー密度が高い場所を分散させながら高い変換効率が得られると共に、複数のビームが出射される箇所を１箇所にまとめて小さくすることができる。
【０１１９】
また、本実施の形態６は、一対の基本波反射面の一方がシリンドリカル面であり、他方が球面である好ましい形態である。一方の基本波反射面にシリンドリカル面を用いることで、基本波反射面の両面に集光力を持たせながら、ビームの径方向で異なる集光点を作成できる。ビームの径方向で異なる集光点が作成されることで、基本波と変換波とのパワー密度が高まる点を分散させることができる。また、シリンドリカル面を用いることで、ビーム径の１方向に関して安定共振条件となり、基本波が往復してもビーム径が回折により拡がるのを防ぐことができる。ビーム径の拡がりを抑え、往復数が増したときの変換効率の低下を抑えることができる。
【０１２０】
（実施の形態７）
図１１（Ａ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザ１０６の構成を示す概略上面図であり、図１１（Ｂ）は、本発明の実施の形態７における波長変換レーザ１０６の構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態７において、実施の形態１〜６と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１２１】
波長変換レーザ１０６は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子６０、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー７３を備える。
【０１２２】
波長変換レーザ１０６は、凹面ミラー７３を除き、実施の形態６の波長変換レーザ１０５と同じ構成要素からなる。凹面ミラー７３は、ミラー中央の径１ｍｍの範囲のみに形成され、基本波を反射するとともに変換波を透過するコートが施された変換波透過部（透過領域）７４と、変換波透過部７４の外周部に形成され、基本波と変換波とを共に反射するコートが施された変換波反射部（反射領域）７５とを備える。基本波が波長変換素子６０内を通過することにより発生した変換波は、変換波透過部７４のみから外部に出力される。
【０１２３】
なお、本実施の形態７において、シリンドリカルミラー６２及び凹面ミラー７３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態７において、波長変換素子６０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。
【０１２４】
本実施の形態７は、基本波反射面の変換波を透過する部位が、基本波反射面の一部の領域のみであり、その他の領域では、基本波及び変換波を反射する好ましい形態である。本実施の形態７では、基本波反射面で変換波が反射される場合、基本波反射面は、変換波の光路を傾け、変換波は反射のたびに光路を変える。変換波が透過する透過部位を基本波反射面の一部の領域のみとすることで、変換波が透過部位に達したときのみ出力されることとなる。変換波は透過領域のみから出射されるため、複数の変換波ビームが透過領域によって限定された領域から出射することとなる。変換波の出射領域を限定することで、変換波の出射領域面積を非常に小さくし、複数の変換波ビームを細い一つの光束として取り扱えるようにすることができる。
【０１２５】
（実施の形態８）
図１２（Ａ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザ１０７の構成を示す概略上面図であり、図１２（Ｂ）は、本発明の実施の形態８における波長変換レーザ１０７の構成を示す概略側面図である。実施の形態８において、実施の形態１〜７と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１２６】
波長変換レーザ１０７は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２及び波長変換素子８０を備える。
【０１２７】
波長変換素子８０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３結晶からなる。波長変換素子８０の形状は、基本波が入射する端面８２の面積よりも、変換波が出射する反対側の端面８３の面積の方が小さくなっており、側面の断面形状が台形形状からなる柱状となっている。波長変換素子８０の長さは、例えば１０ｍｍであり、端面８２は、幅が例えば４ｍｍであり、厚みが例えば２ｍｍである矩形形状となっており、端面８３は、幅が例えば１ｍｍであり、厚みが例えば０．７５ｍｍである矩形形状となっている。
【０１２８】
端面８２は、凸型球面であり、曲率半径は例えば２４ｍｍであり、基本波入射口８１を除き、基本波と変換波とを反射する反射コートが形成されている。端面８３は、平面であり、基本波を反射する反射コート及び変換波を透過する透過コートが形成されている。波長変換素子８０の側面は、基本波及び変換波を全反射する。基本波入射口８１は、基本波を透過する透過コートが形成されており、径の大きさが例えば２００μｍであり、端面８２の中央から幅方向に例えば１．２ｍｍずれた位置に形成されている。球面形状の端面８２と平面形状の端面８３とが波長変換素子８０の長手方向の一対の基本波反射面となっている。変換波は、端面８３から複数のビームが重なった状態で出射される。
【０１２９】
基本波レーザ光源１を出射した基本波は、集光レンズ２により基本波入射口８１内に収まるように集光され、波長変換素子８０に入射する。入射した基本波は、波長変換素子８０の長手方向に進行し、波長変換素子８０の側面、端面８３及び端面８２によって反射されることにより、端面８２と端面８３との間を往復する。往復する基本波は、複数個所で交差する。また、往復する基本波は、集光レンズ２と球面形状の端面８２との集光力により、複数の集光点を形成する。
【０１３０】
このとき、波長変換素子８０は、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。波長変換素子８０は、内部を進行する基本波から、変換波を発生させる。複数の変換波ビームは、平面形状の端面８３から重なって出力される。出力される一方の端面８３の面積が他方の端面８２よりも小さいため、多くの変換波が、波長変換素子８０の側面で反射された後に端面８３から出射される。このようにして、重なって出力される変換波は、強度分布が平均化されて出力されることとなる。
【０１３１】
なお、本実施の形態８において、波長変換素子８０の端面８２，８３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。また、本実施の形態８において、波長変換素子８０の側面を樹脂クラッドで被覆してもよい。
【０１３２】
本実施の形態８は、波長変換素子８０の一方の端面８３に基本波を反射するとともに変換波を透過するコートが形成され、当該端面８３の面積が他方の端面８２よりも小さい好ましい形態である。変換波を出射する端面８３の面積が、基本波を入射する端面８２よりも小さいため、複数の変換波は出射するときに重なって出力される。出力される変換波ビームは、重畳されることにより、強度分布が平均化される。出力されるビームの強度分布が平均化されているため、波長変換レーザ１０７は、加工や照明などの分野において、直接使用することが可能となる。また、変換波の出射面積が小さいため、変換波に用いる光学部品の小型化が可能となる。
【０１３３】
図１３は、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示す波長変換レーザ１０７を用いた画像表示装置２００の構成を示す概略図である。画像表示装置２００は、波長変換レーザ１０７、投影光学系８５、空間変調素子８６、投射光学系８７及び表示面８８を備える。
【０１３４】
波長変換レーザ１０７の端面８３から出力される変換波は、矩形形状であり、平均化された強度分布を有する。投影光学系８５は、端面８３から出射した変換波を空間変調素子８６に拡大投影する。空間変調素子８６は、端面８３と相似な形状を有し、横と縦との比が４：３の矩形形状となっている。空間変調素子８６は、例えば透過型液晶と偏光板とからなり、各色のレーザ光を変調し、２次元に変調したレーザ光を出射する。投射光学系８７は、空間変調素子８６によって変調されたレーザ光を表示面８８に投影する。
【０１３５】
本実施の形態８は、波長変換レーザ１０７における波長変換素子８０の両端面のうちの変換波を透過する端面８３の像が、変換波を変調する空間変調素子８６に投影される好ましい形態である。本実施の形態８は、複数のビームからなる変換波を波長変換レーザ１０７の波長変換素子８０の端面８３の形状に応じて整形し、また、複数の変換波を重ねることで強度分布を平均化することができる。このような波長変換レーザ１０７の特徴をいかし、空間変調素子８６に波長変換素子８０の端面８３の像を投影することで、効率よく変換波を用いることができる。ビーム整形するための光学部品が不要となるので、ビーム整形によるロスを抑え、必要な光学部品数を減らすことができる。なお、投影光学系８５には、レンズの他、強度分布を整える拡散板などをさらに配してもよい。
【０１３６】
画像表示装置２００は、波長変換レーザと、波長変換レーザから出射した変換波を変調する変調素子とを有する好ましい形態である。波長変換レーザは、複数の波長変換光を出射しながら、小さい面積の端面から一定角度内で出射するため、変換波を変調素子に非常に効率よく導くことができる。このため、光利用効率が高い画像表示装置の実現が可能となる。光利用効率を高めることで、画像表示装置２００全体の消費電力を低くすることができる。特に、光源の電力消費が大部分を占める対角３０インチ以上の表示を行う画像表示装置に対して有効である。なお、変調素子は、透過型又は反射型の液晶素子などの空間光変調素子の他に、走査ミラーのように光をスキャンしてビームの表示される場所を変調する素子を含む。
【０１３７】
画像表示装置２００の応用例としては、プロジェクタ、液晶ディスプレイ及びヘッドアップディスプレイなどが挙げられる。
【０１３８】
また、画像表示装置２００は、実施の形態８における波長変換レーザ１０７を用いているが、本発明は特にこれに限定されず、波長変換レーザ１０７の替わりに、実施の形態１〜７に示す波長変換レーザ１００〜１０６及び後述する実施の形態９，１０に示す波長変換レーザ１０８，１０９を用いてもよい。
【０１３９】
（実施の形態９）
図１４は、本発明の実施の形態９における波長変換レーザ１０８の構成を示す概略図である。なお、実施の形態９において、実施の形態１〜８と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１４０】
波長変換レーザ１０８は、基本波レーザ光源１、集光レンズ２、波長変換素子１０、樹脂クラッド１４及び振動機構９１を備える。
【０１４１】
波長変換レーザ１０８は、実施の形態１で説明した波長変換レーザ１００に、波長変換素子１０をレーザ光の出射中に動作させる振動機構９１を取り付けた構成である。振動機構９１は、基本波入射口１１への基本波の入射方向に交わる回転軸Ｒ１を中心として、波長変換素子１０を横方向Ｙ１に回転振動させる。振動機構９１は、樹脂クラッド１４に取り付けられている。振動機構９１は、例えば電磁コイルからなり、変換波を出射する端面１３を振幅０．２ｍｍ及び周波数２００Ｈｚで往復動作させる。
【０１４２】
波長変換素子１０は、内部を進行する基本波から変換波を発生させるが、基本波反射面間の片道のみの光路で発生する変換波の量は、ビーム強度と位相整合条件からのずれとに基づいて決まる。波長変換素子１０が微動することにより、時間により基本波の各光路の角度が変化し、位相整合条件からのずれ量が変化する。出射端面１３からは、各光路で発生した変換波の複数のビームが重畳されて出力されている。
【０１４３】
出射される変換波の強度分布は、各光路で発生する変換波の量が変化するため、時間により変化することとなる。時間により出射される変換波の強度分布が変化することで、時間により出射される変換波の干渉条件も変化することとなる。これは、時間により干渉パターンが変化することを意味し、時間積分することにより干渉ノイズを平均化し、干渉ノイズを低減することができる。特に、ディスプレイ及び照明の分野で問題となるスペックルノイズを低減することができる。また、変換波の強度分布は変化するが、各光路が変換効率を補償する関係にあるため、変換波の合計出力は大きく変化しない。
【０１４４】
本実施の形態９は、変換波の出射中に波長変換素子１０を振動させる好ましい形態である。変換波の出射中に波長変換素子１０を微動させることで、出力される変換波の干渉ノイズを低減することができる。本実施の形態９では、複数のビームからなる変換波を重畳して出力するが、この変換波の強度分布を時間的に変化させることで、干渉ノイズを低減することができる。本実施の形態９では、各基本波光路の変換効率の低下を補償しているため、変換波の強度分布は変化するが、合計出力は大きく変化することはない。
【０１４５】
（実施の形態１０）
図１５は、本発明の実施の形態１０における波長変換素子１１０の外観形状を示す概略図である。図１６（Ａ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザ１０９の構成を示す概略上面図であり、図１６（Ｂ）は、本発明の実施の形態１０における波長変換レーザ１０９の構成を示す概略側面図である。なお、実施の形態１０において、実施の形態１〜９と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１４６】
波長変換レーザ１０９は、基本波レーザ光源１、波長変換素子１１０、樹脂クラッド１１４、金属ホルダ１１５及び集光レンズ１１７を備える。波長変換素子１１０は、基本波を、基本波と波長の異なる変換波に変換する。波長変換素子１１０の長手方向の一方の端面１１２には、基本波が入射する基本波入射口１１１が形成されている。
【０１４７】
波長変換素子１１０は、分極反転周期構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶からなる。波長変換素子１１０は、長さが例えば１０ｍｍであり、幅が例えば５ｍｍであり、厚みが例えば２０μｍの平板形状となっている。波長変換素子１１０の厚み方向は、樹脂クラッド１１４で覆われており、波長変換素子１１０はマルチモードのスラブ型の光導波路として機能する。波長変換素子１１０の長手方向の両端面には、基本波入射口１１１を除いて、基本波を反射する反射コートが形成されている。
【０１４８】
また、基本波入射口１１１が形成されていない端面１１３は、基本波を反射する反射コートと共に変換波を透過する透過コートが形成されており、変換波の出力面となっている。また、基本波が入射する端面１１２は、変換波を反射する反射コートが形成されており、波長変換レーザ１０９では、出力面は端面１３のみとしている。基本波入射口１１１は、平面形状の端面１１２の中心から横方向にずれた位置に形成されている。基本波入射口１１１の大きさは、例えば１００μｍ×２０μｍである。基本波入射口１１１には、基本波に対するＡＲコートが形成されている。
【０１４９】
基本波入射口１１１を有する一方の端面１１２は、平面形状を有する。他方の端面１１３は、図１５の横方向に湾曲した凸型シリンドリカル形状を有する。端面１１３の曲率半径は、例えば２００ｍｍである。波長変換素子１１０は、樹脂クラッド１１４を介して金属ホルダ１１５に固定され、金属ホルダ１１５によって放熱される。集光レンズ１１７は、基本波入射口１１１に基本波が入るように集光している。
【０１５０】
波長変換素子１１０は、スラブ型の光導波路として基本波を導波し、端面１１２と端面１１３とで反射させることで繰り返し往復しながら光路を変化させ、基本波の集光点を形成するとともに基本波を交差させる。波長変換素子１１０内で基本波から変換された変換波は、端面１１３から出射される。
【０１５１】
なお、本実施の形態１０において、波長変換素子１１０の端面１１２，１１３が、一対の基本波反射面の一例に相当する。
【０１５２】
波長変換レーザ１０９は、波長変換素子１１０が、側面において基本波及び変換波を全反射させるスラブ型の光導波路である好ましい形態である。すなわち、本実施の形態１０は、波長変換素子１１０が、所定の厚みを有する平板形状であり、樹脂クラッド１１４が、平板形状の波長変換素子１１０の互いに対向する２つの最大面積面に形成される好ましい形態である。波長変換素子１１０をスラブ型の光導波路とすることで、厚み方向の基本波のビームの拡がりを抑え、基本波が波長変換素子１１０内において反射を繰り返しても高い光強度を維持することができる。
【０１５３】
これにより、基本波のどの光路でも、波長変換効率を高めることができる。特に、本実施の形態１０では、波長変換素子１１０は、マルチモードのスラブ型の光導波路の機能を有することが好ましい。本実施の形態１０では、波長変換素子１１０に入射した基本波の多くが反射を繰り返す間に変換されるため、波長変換素子１１０のビーム結合効率を高めることが重要となる。このため、波長変換素子１１０は、ビーム結合効率を高めやすいマルチモードの光導波路の機能を有することがよい。またマルチモードの光導波路の機能を有することで、モードによる位相整合条件の違いから、波長変換素子１１０の温度許容幅を拡げることができる。
【０１５４】
波長変換素子１１０と金属ホルダ１１５との間の樹脂クラッド１１４の厚みは、例えば５μｍである。金属ホルダ１１５と波長変換素子１１０との間に形成される樹脂クラッド１１４は、１０μｍ以下であることが好ましい。樹脂クラッド１１４を薄くすることで、熱抵抗を下げ、波長変換素子１１０から発生した熱を金属ホルダ１１５によって放熱することができる。特に、ハイパワーの基本波及び変換波を用いる時、より効果的に波長変換素子１１０の熱を逃がすことができる。波長変換素子１１０の温度許容幅が広い場合は、特にペルチェ素子などで温度制御する必要はなく、金属ホルダ１１５の放熱機構のみあればよい。
【０１５５】
なお、本発明は、上記実施の形態１〜１０に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。当然、本発明の各実施の形態１〜１０を組み合わせて用いることもできる。
【０１５６】
なお、本実施の形態１〜１０において、波長変換素子内に形成される基本波の複数の集光点のうち一部が、基本波の交差点と重なりを有していても構わない。ほとんどの基本波の複数の集光点が、基本波の交差点と一致していなければよい。
【０１５７】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
【０１５８】
本発明の一局面に係る波長変換レーザは、基本波を出射する光源と、前記光源から出射した前記基本波を、前記基本波と波長の異なる変換波に変換する波長変換素子とを備え、前記波長変換素子の光軸方向の両端側に位置し、前記基本波を反射することにより、前記波長変換素子内において前記基本波を複数回通過させる一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方の基本波反射面は、前記変換波を透過させ、前記一対の基本波反射面は、前記基本波を前記波長変換素子内で交差させ、前記基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点を形成する。
【０１５９】
この構成によれば、一対の基本波反射面によって、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、基本波が波長変換素子内で交差し、基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成される。
【０１６０】
したがって、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、かつ基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるので、安定して高い変換効率を得ることができ、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を小さくすることができ、その結果、装置全体を小型化することができる。
【０１６１】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の側面は、前記基本波を前記波長変換素子の内部に反射することが好ましい。
【０１６２】
この構成によれば、波長変換素子の側面によって、基本波が波長変換素子の内部に反射されるので、基本波が波長変換素子内を通過する面積を一定範囲に保ち続けることができる。また、波長変換素子を通過する基本波の強度分布を平均化し、基本波のパワー密度が高い場所を分散させることができる。
【０１６３】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子よりも屈折率が低い材料で形成され、前記波長変換素子の側面を被覆する反射部をさらに備えることが好ましい。
【０１６４】
この構成によれば、波長変換素子よりも屈折率が低い材料で形成される反射部によって、波長変換素子の側面を被覆するので、波長変換素子の側面で基本波及び変換波を全反射させ、基本波及び変換波を波長変換素子内に折り返すことができる。
【０１６５】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記反射部を介して前記波長変換素子の温度を調整する温度調整機器をさらに備えることが好ましい。
【０１６６】
この構成によれば、反射部を介して波長変換素子の温度が調整されるので、温度調整機器への基本波及び変換波の吸収を除去し、精確な温度制御を行うことができる。
【０１６７】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の光軸に交わる断面の形状は、矩形形状であり、前記基本波の偏光方向は、前記断面の一辺と平行であることが好ましい。
【０１６８】
この構成によれば、偏光方向に対し、基本波が反射する波長変換素子の側面が平行もしくは垂直であるので、反射による偏光方向の変化をなくし、効率のよい波長変換を行うことができる。
【０１６９】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型形状となっていることが好ましい。
【０１７０】
この構成によれば、波長変換素子の凸型形状の端面は、反射する基本波に対し凹面ミラーとして働き、波長変換素子内に集光点を作成することができる。また、基本波を反射し、変換波を透過する波長変換素子の凸型形状の端面は、変換波に対して凸レンズとして働き、出射する変換波の拡がり角を抑えることができる。
【０１７１】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の両端面のうちの少なくとも一方は、凸型シリンドリカル形状となっていることが好ましい。
【０１７２】
この構成によれば、波長変換素子内で形成される集光点をビームの径方向に異ならせ、基本波のパワー密度の集中を回避することができる。
【０１７３】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面のうちの一方は、シリンドリカル面を含み、他方は、球面を含むことが好ましい。
【０１７４】
この構成によれば、波長変換素子の両端面のうちの一方をシリンドリカル面とすることで、ビームの回折をなくし、一対の基本波反射面を基本波が往復する間にビーム径が拡がることを防止することができる。
【０１７５】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、前記波長変換素子の両端面のうち、前記基本波を反射するとともに前記変換波を透過する一方の端面の面積は、他方の端面よりも小さいことが好ましい。
【０１７６】
この構成によれば、波長変換素子の両端面のうち、基本波を反射するとともに変換波を透過する一方の端面の面積が、他方の端面よりも小さいため、複数の変換波が重なって出力され、強度分布を平均化することができる。
【０１７７】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の厚み及び幅は、１ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１７８】
この構成によれば、波長変換素子の厚み及び幅を１ｍｍ以下とし、変換波の光源面積を１ｍｍ×１ｍｍの範囲内とすることで、十分に小さな範囲に変換波をまとめることができる。
【０１７９】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子は、所定の厚みを有する平板形状であり、前記反射部は、平板形状の前記波長変換素子の互いに対向する２つの最大面積面に形成されることが好ましい。
【０１８０】
この構成によれば、厚み方向の基本波のビームの拡がりを抑え、基本波が波長変換素子内において反射を繰り返しても高い光強度を維持することができる。
【０１８１】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面は、前記波長変換素子の光軸方向の両端面に形成され、前記波長変換素子の両端面のうちの一方の端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過し、前記変換波を伝搬させるマルチモード光ファイバーに接続されることが好ましい。
【０１８２】
この構成によれば、波長変換素子から複数の変換波が出射されるが、複数の変換波を一つの光束として直接マルチモード光ファイバーに入射させることにより、様々な場所へ変換波を容易に伝送することができる。
【０１８３】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記マルチモード光ファイバーにおける前記波長変換素子との接続端面は、基本波を反射するとともに変換波を透過することが好ましい。
【０１８４】
この構成によれば、波長変換素子の端面から漏れ出した基本波と、変換波とを分離することができ、変換波のみを伝送させることができる。
【０１８５】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記変換波を透過させる基本波反射面は、前記変換波を透過させる透過領域と、前記基本波及び前記変換波を共に反射させる反射領域とを含むことが好ましい。
【０１８６】
この構成によれば、変換波は透過領域のみから出射されるため、複数の変換波ビームが透過領域によって限定された領域から出射することとなる。変換波の出射領域を限定することで、変換波の出射領域面積を非常に小さくし、複数の変換波ビームを細い一つの光束として取り扱えるようにすることができる。
【０１８７】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記変換波の出射中に前記波長変換素子を振動させる振動機構をさらに備えることが好ましい。
【０１８８】
この構成によれば、変換波の出射中に波長変換素子が振動されるので、出力される変換波の干渉ノイズを低減することができる。
【０１８９】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記波長変換素子の両端面のうちの前記変換波を透過する端面の像は、前記変換波を変調する変調素子に投影されることが好ましい。
【０１９０】
この構成によれば、複数の変換波を波長変換素子の端面の形状に応じて整形し、複数の変換波を重ねることで強度分布を平均化することができる。また、ビーム整形するための光学部品が不要となるので、ビーム整形によるロスを抑え、必要な光学部品数を減らすことができる。
【０１９１】
また、上記の波長変換レーザにおいて、前記一対の基本波反射面のうちの少なくとも一方は、前記基本波及び前記変換波を反射する反射膜を有し、前記複数の集光点は、前記反射膜の近傍に形成され、前記反射膜は、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜を含むことが好ましい。
【０１９２】
この構成によれば、１００ｎｍ以上の厚さの金属膜は、熱の伝達経路として機能し、基本波が集光することによる局所的な波長変換素子の温度上昇を低減することができる。
【０１９３】
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、上記のいずれかに記載の波長変換レーザと、前記波長変換レーザから出射した変換波を変調する変調素子とを備える。
【０１９４】
この画像表示装置においては、波長変換素子内において基本波が複数回通過し、かつ基本波の交差点と異なる箇所に複数の集光点が形成されるので、安定して高い変換効率を得ることができ、複数のビームとなって出射される変換波の光源面積を小さくすることができ、その結果、装置全体を小型化することができる。
【０１９５】
なお、発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明に係る波長変換レーザ及び画像表示装置は、安定して高い変換効率を得ることができるとともに、小型化することができ、基本波の波長変換を行い、基本波とは波長の異なる変換波を出力する波長変換レーザ及び波長変換レーザを備える画像表示装置として有用である。
【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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2009093431.tif 000031
【図１３】
2009093431.tif 000032
【図１４】
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【図１５】
2009093431.tif 000034
【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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