(57)【要約】【課題】  縦横マルチモード発振する固体レーザ共振器内に、周期分極反転構造を有する非線形光学素子を設けた光源装置及び画像生成装置において、基本波の波長近傍に生じ得る寄生発振を充分に抑制して、出力及び安定性を高める。【解決手段】  光源装置１において、縦横マルチモード発振する固体レーザ共振器３内に周期分極反転構造を有する非線形光学素子５を配置し、位相整合による高調波を発生させる場合に、共振器３内のレーザ媒質４による基本波の発振波長幅が、非線形光学素子５の位相整合幅以下となるように構成した。【選択図】    図１
2006066817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦横マルチモード発振する固体レーザ共振器内に周期分極反転構造を有する非線形光学素子を配置して位相整合による高調波を発生させるように構成された光源装置において、
共振器内のレーザ媒質による基本波の発振波長幅が、上記非線形光学素子の位相整合幅以下とされる
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載した光源装置において、
上記非線形光学素子の結晶長によって規定される位相整合許容幅が、基本波の発振ゲイン幅よりも大きい
ことを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１に記載した光源装置において、
寄生発振抑制のための波長選択素子又は複屈折フィルタを上記固体レーザ共振器内に配置した
ことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１に記載した光源装置において、
上記非線形光学素子が、寄生発振波長に対応する分極反転周期の疑似位相整合部を有している
ことを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項１に記載した光源装置において、
上記非線形光学素子の基板材料が、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムである
ことを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項１に記載した光源装置において、
希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置し、上記非線形光学素子の高調波発生により紫外光又は青色光又は緑色光を出力する
ことを特徴とする光源装置。
【請求項７】
縦横マルチモード発振する固体レーザ共振器内に周期分極反転構造を有する非線形光学素子を配置して位相整合による高調波を発生させるように構成された照明光源と、該照明光源からの光を変調する光変調手段を備えた画像生成装置において、
共振器内のレーザ媒質による基本波の発振波長幅が、上記非線形光学素子の位相整合幅以下とされる
ことを特徴とする画像生成装置。
【請求項８】
請求項７に記載した画像生成装置において、
上記非線形光学素子の結晶長によって規定される位相整合許容幅が、基本波の発振ゲイン幅よりも大きい
ことを特徴とする画像生成装置。
【請求項９】
請求項７に記載した画像生成装置において、
寄生発振抑制のための波長選択素子又は複屈折フィルタを上記固体レーザ共振器内に配置した
ことを特徴とする画像生成装置。
【請求項１０】
請求項７に記載した画像生成装置において、
上記非線形光学素子が、寄生発振波長に対応する分極反転周期の疑似位相整合部を有している
ことを特徴とする画像生成装置。
【請求項１１】
請求項７に記載した画像生成装置において、
上記非線形光学素子の基板材料が、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムである
ことを特徴とする画像生成装置。
【請求項１２】
請求項７に記載した画像生成装置において、
希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置し、上記非線形光学素子の高調波発生により紫外光又は青色光又は緑色光を出力する
ことを特徴とする画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦横マルチモード発振の固体レーザを用いた光源装置及び該光源装置を用いた画像生成装置において、寄生発振を抑制して安定性を保証するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザは高い出力を必要とする場合に使用され、その励起用光源として半導体レーザを用いた構成が知られている。例えば、周期分極反転構造を有する波長変換素子にビームを照射する場合に、半導体レーザの発振波長をドメイン反転部の周期と位相整合する波長に対して正確にロックさせるために、ビームの一部をビームスプリッタで分岐させて、ミラーとビームスプリッタとの間に狭帯域バンドパスフィルタ（エタロン又は複屈折フィルタ）を配置した例が知られている（例えば、特許文献１参照）。尚、分極反転構造の擬似位相整合素子を用いた第二高調波発生（ＳＨＧ）、擬似位相整合等については、例えば、非特許文献１が挙げられる。
【０００３】
また、レーザ光源及び光変調素子を用いた画像生成装置（プロジェクタやプリンタ等）への適用において、レーザ光源と、ビーム拡大器、空間光変調器等を備えた構成が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５５９９号公報
【非特許文献１】Martin M. Fejer, G. A. Magel, Dieter H. Jundt, Robert L. Byer,"Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation: Tuning and Tolerances",IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.28, NO.11,(U.S.A),1992年11月, p.2631
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、縦横マルチモード発振の固体レーザ共振器内に、周期分極反転構造を有する波長変換素子を配置した構成においては、基本波の最も強い発振線の近傍に発生する発振線が問題とされる（寄生発振）。
【０００６】
固体レーザにおいて、幾つかの発振線が近接して存在する場合に、共振器を構成するミラーの反射率が、ある波長範囲においてほぼ１００％とされ（特定波長で反射率がほぼ１００％を示す訳でなく、ある波長幅をもって高反射率を示す。）、近接した波長の発振線に関してそれらが同時に発振する可能性がある。
【０００７】
例えば、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧを用いる場合に、波長１０６４ｎｍの近辺で１０５２ｎｍ、１０６１ｎｍ、１０７４ｎｍ等の寄生発振を伴う可能性がある。
【０００８】
尚、基本波のみの発振の場合には、共振器を構成する出力ミラーの透過波長幅を上記ミラーの反射率と同様に広く取れるために、最も強い発振線だけを容易に発振させることができるが、例えば、周期分極反転構造の波長変換素子（例えば、ＳＨＧ素子）を用いて高調波を取り出す場合には、その波長幅（位相整合許容幅）が、結晶長１ｍｍで数ｎｍと狭いために、高調波（緑色光等）の発振とともに寄生発振が生じた場合に、出力の低下をもたらし、安定性を損なうノイズが発生する虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、縦横マルチモード発振する固体レーザ共振器内に、周期分極反転構造を有する非線形光学素子を設けた光源装置及び画像生成装置において、基本波の波長近傍に生じ得る寄生発振を充分に抑制して、出力及び安定性を高めることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光源装置は、上記した課題を解決するために、縦横マルチモード発振する固体レーザ共振器内に周期分極反転構造を有する非線形光学素子を配置し、位相整合による高調波を発生させる場合に、共振器内のレーザ媒質による基本波の発振波長幅が、非線形光学素子の位相整合幅以下となるように構成したものである。
【００１１】
また、本発明に係る画像生成装置は、非線形光学素子を用いて位相整合による高調波を発生させる構成の照明光源と、該照明光源からの光を変調する光変調手段を備えた構成において、縦横マルチモード発振する固体レーザ共振器内に周期分極反転構造を有する非線形光学素子を配置して位相整合による高調波を発生させる。その場合に、共振器内のレーザ媒質による基本波の発振波長幅が、非線形光学素子の位相整合幅以下となるように構成している。
【００１２】
従って、本発明では、非線形光学素子の位相整合許容幅と基本波の発振波長幅との関係に着目して、基本波の発振波長幅が位相整合許容幅よりも大きくならないように規定することで、基本波の波長近傍に寄生する発振線を充分に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、寄生発振を抑制し安定性を保証するとともに、出力や効率の低下を防止することができる。例えば、非線形光学素子の位相整合許容幅が結晶長にほぼ反比例することから、素子サイズの選定により位相整合許容幅が基本波の発振ゲイン幅よりも大きくなるように設計すれば、装置構成の複雑化等の弊害を伴うことがなく、低コスト化に有利である。また、縦横マルチモードレーザを用いた照明光源からの光を、光変調素子によって変調する画像生成装置への適用において、Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ比）の向上により、高画質化等を実現することが可能である。
【００１４】
また、寄生発振抑制のためには、波長選択素子又は複屈折フィルタを固体レーザ共振器内に配置した構成が好ましく、基本波長周辺の発振線を充分に抑えることが可能である。
【００１５】
周期分極反転構造を有する非線形光学素子では、分極反転周期を変えることで位相整合波長を選択することが可能である。そこで、寄生発振波長に対応する分極反転周期の疑似位相整合部を有する構造を採用し、基本波とそれ以外の発振線について位相整合する部分を形成することにより寄生発振を抑制することができる。
【００１６】
共振器内に配置される非線形光学素子については、特に、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムを用いる場合に、光損傷に強く長期信頼性に優れた素子が得られ、波長変換効率が高いため、高出力の光を安定に得ることができる。
【００１７】
また、非線形光学素子を用いた第二高調波発生等により、紫外光又は青色光又は緑色光を出力する形態において、希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置することにより、例えば、固体レーザ媒質からの高出力の赤外光に基づいて可視光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、縦横マルチモードレーザを用いた光源装置及び画像生成装置に関するものであり、例えば、光変調素子を用いた画像表示装置（画像投射装置等）や描画装置、プリンタ等の画像出力装置、各種の加工装置、露光装置等に適用することができる。
【００１９】
図１及び図３は、本発明に係る基本構成例を示したものである。
【００２０】
図１は、光源装置の基本構成例を示している。
【００２１】
光源装置１は、励起用光源２と、縦横マルチモード発振する共振器３内のレーザ媒質４及び波長変換用の非線形光学素子５を備えている。
【００２２】
励起用光源２にはレーザや放電灯等が用いられるが、小型化や寿命等を考慮した場合に半導体レーザの使用が好ましい（全固体レーザ化が可能である。）。
【００２３】
レーザ媒質４には、希土類添加の固体レーザ材料が用いられ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4、Ｙｂ：ＹＡＧ等が挙げられる。
【００２４】
非線形光学素子５は、例えば、ＳＨＧ、ＴＨＧ（第三高調波発生）等の波長変換に用いられ、あるいは、和周波発生や光パラメトリック発振等に用いられる。使用材料には、ＰＰ−ＫＴｉＯＰＯ4、ＰＰ−ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｓ−ＬｉＮｂＯ3、ＰＰ−Ｓ−ＬｉＴａＯ3等、周期分極反転構造を有する非線形光学材料が挙げられる。尚、ここで「ＰＰ」は「Periodical Poling」、「Ｓ」は「Stoichiometric」を意味する。
【００２５】
非線形光学素子５を共振器３中に配置して、位相整合による高調波を発生させる構成では、共振器３の内部に閉じ込められる発振光のパワー密度が高く、高効率での波長変換が可能であり、連続発振が可能である。
【００２６】
励起用光源２の出力する励起光がレーザ媒質４に照射され、例えば、楕円状の横モードパターンでレーザ媒質４が励起される。これによって得られる線状ビームが非線形光学素子５に照射され、波長変換された線状光が共振器３から出力される。
【００２７】
上記構成において、例えば、励起用光源２に近赤外レーザを用い、赤外共振器内にレーザ媒質４及び非線形光学素子５（ＳＨＧ素子）を配置した形態では、第二高調波発生により緑色光又は青色光又は紫外光の線状ビームを出力することができる。
【００２８】
本発明においては、固体レーザ共振器内のレーザ媒質４による基本波の発振波長幅が、非線形光学素子５の位相整合幅以下とされる。
【００２９】
以下では、位相整合許容幅と発振ゲインとの関係について図２を用いて説明する。
【００３０】
非線形光学素子５の材料として、化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）を例にした場合に、その位相整合許容幅（FWHM）は、結晶１ｍｍ長で２．５ｎｍとされる。
【００３１】
ここで、位相整合許容幅が、結晶長（あるいは光軸方向の素子長）にほぼ反比例することを考慮すると、結晶長を、例えば、長さ３ｍｍ以下とすれば、位相整合許容幅が０．８３ｎｍ以上となる。
【００３２】
他方、レーザ媒質として、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧを想定した場合に、基本波長１０６４ｎｍの発振線幅が０．５７ｎｍである。よって、結晶長３ｍｍの場合に、「位相整合許容幅（０．８３）＞発振線幅（０．５７）」の関係が成り立つ。
【００３３】
図２は、実線Ｇで示す位相整合許容幅と、破線ｇで示す発振ゲイン幅とを対比的に例示したグラフ図であり、縦軸については、横軸「ｘ＝０」でのピーク値を「１」に規格化して示している。尚、本例では、実線Ｇのグラフ線が「（ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）2」とされ、その半値幅が０．８３（ｎｍ）である。また、破線ｇのグラフ線が「ｅｘｐ（−ｘ2)」とされ、その半値幅が０．５７（ｎｍ）である。
【００３４】
実線Ｇと破線ｇとの関係において、図示のように、位相整合許容幅が発振線幅よりも広い場合には、寄生発振は無いが、両者の関係が逆になると、位相整合許容範囲外における寄生発振が問題となる。
【００３５】
尚、結晶長を１ｍｍとした場合の位相整合許容幅を「δλ」と記し、基本波の波長を「λ」と記すとき、下式からδλが求められる。
【００３６】
【数１】
2006066817.tif 000003
【００３７】
尚、上式中の「ｎｅ（λ）」は基本波に対する実効屈折率を示し、「ｎｅ（λ／２）」は第二高調波に対する実効屈折率を示しており、「ｄ」は波長に関する微分を表す。
【００３８】
基本波長λ＝１０６４.１５（ｎｍ）として、上式を用いてδλ＝２.５０７（ｎｍ）が算出される。
【００３９】
上記のように、非線形光学素子の結晶長によって規定される位相整合許容幅が、基本波の発振ゲイン幅よりも大きいことが、寄生発振をなくすための必要条件とされる。マルチモード発振する共振器内ＳＨＧレーザにおいて、ＳＨＧ許容波長幅を、基本波の最も強い発振線の線幅以上とするには、該許容波長幅が結晶長にほぼ反比例することから、例えば、ＰＰＳＬＴの場合には、結晶長を３ｍｍ以下にすれば良い。
【００４０】
尚、１次元照明光学系への適用においては、光源装置１の出力光が、例えば、後段の光学系（図示せず）を経ることにより、所定の強度分布（一定範囲が平坦とされかつ裾野部分において強度が急峻に低下する、所謂トップハット形状の分布）をもって被照射部（１次元光変調素子等）への照明が行われる。該光学系には、インテグレータ光学系とエキスパンダー光学系が含まれる。前者は、周知のように１次元方向に沿って複数のレンズエレメントを配列させた１次元レンズアレイ（所謂フライアイ・レンズ）を用いて構成され、また、後者は、所定方向に拡がった線状照明光を得るために設けられ、集光レンズや視野レンズ等の光学素子を用いた構成が挙げられる。
【００４１】
図３は、画像生成装置６の要部（上記光源装置１を用いた１次元照明光源を除く。）の構成例を概略的に示している。
【００４２】
１次元光変調素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは、図示しない駆動回路からの信号を受けて制御され、画像信号に基づいて光を変調する。
【００４３】
本発明の適用において１次元光変調素子の如何は問わないが、例えば、米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社が開発したグレーティング・ライト・バルブ（Grating Light Valve）素子を用いることができる。この素子は反射型回折格子を用いて構成され、多数の可動リボンが所定間隔をもって配置され、隣り合う可動リボンの間に固定リボンが配置されている。そして、共通電極と可動リボンとの間に駆動電圧を印加することによって可動リボンが移動し、入射光に対する回折格子が構成される。つまり、この状態（所謂ピクセルオン時）では１次回折光が発生し、また、可動リボンを動かさずに固定リボンに揃えた状態（所謂ピクセルオフ時）では１次回折光が発生しない（入射光に対する正反射のみである。）。特定の回折光を利用する構成により、高い回折効率をもって画像表示等に用いることができる（例えば、高階調の画像表示にはブレーズ型素子が好ましい。）。
【００４４】
１次元光変調素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色にそれぞれ対応して設けられており、各色光を変調する光変調手段を構成している。これらの１次元光変調素子を用いて変調された光は、Ｌプリズム等を用いた合成手段８によって混合された後に、後段の光学系９、光走査手段１０を経て被照射部１１（例えば、スクリーンや感光体等）に投影される。
【００４５】
光学系９には、空間フィルタや投影系等が含まれ、１次元光変調素子を用いて変調された光は、例えば、シュリーレンフィルタに通されて１次回折光が選別される。
【００４６】
光走査手段１０は、光変調手段からの出力光を所定方向（図の矢印「ＳＳ」参照）に走査するものであり、回転反射鏡が用いられ、その反射光は被照射部１１に向けて照射される。尚、光走査については、ガルバノミラーやポリゴンミラー等を用いた各種形態が挙げられる。
【００４７】
被照射部１１に対して投影される１次元像は、光走査によって２次元像に展開される。
【００４８】
尚、本例に限らず、光走査系と投影系との位置関係を逆にして、光走査手段１０と被照射部１１との間に投影系を配置した形態等、光学要素の変更に関して各種形態での実施が可能である。
【００４９】
次に、光源装置に関する具体的な構成について説明する。
【００５０】
励起方式については、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
【００５１】
（Ａ）レーザ媒質に対してレーザ出力軸に沿う方向の端部に励起光を照射する端面励起方式（所謂エンドポンプ）
（Ｂ）レーザ媒質に対してレーザ出力軸に対して平行な側面部から励起光を照射する側面励起方式（所謂サイドポンプ）。
【００５２】
先ず、形態（Ａ）について説明する。
【００５３】
励起用光源として、例えば、発光領域幅の広いブロードエリアＬＤ（レーザダイオード）を用いて楕円状の横モードパターンでの励起を行う形態が挙げられ、この場合に単一又は複数のＬＤが用いられる。また、バーレーザ等の並列化光源とマイクロレンズアレイを用いて光励起を行う形態が挙げられる。
【００５４】
図４及び図５に示す構成例１２では、半導体レーザ（bar laser）、マイクロレンズを使ったコリメートレンズ、集光レンズ等を用いてレーザ媒質に励起光を照射する。
【００５５】
図４は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図５は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており、ｘ軸が光軸に沿うように設定されている。
【００５６】
励起用光源を構成する並列化光源１３として、半導体レーザが用いられ、図６に示す例（１次元ＬＤアレイ）では、複数のレーザエミッタを１次元的に配列させたアレイ構造を有する。例えば、ＧａＡｌＡｓ（ガリウム・アルミニウム・砒素）の量子井戸構造のレーザダイオードを用いて波長８０８ｎｍ（ナノメートル）、４０Ｗ程度の出力を得ることができ、開口幅「ｗａ」のストライプ状エミッタ１３ａ、１３ａ、…が所定の間隔（図中の「ｄ」参照。）をもってｐｎ接合面に沿う方向に形成されている。各エミッタからほぼ楕円状をした横モードパターンの出力光が得られる。尚、光源部の長手方向のサイズ「Ｄ」は１０ｍｍ程度である。
【００５７】
多数のエミッタを並列化させることで、高出力化を実現でき、また、エミッタについては、発光領域幅が数十乃至数百μｍのブロードエリア構造を用いることが好ましい。
【００５８】
図４及び図５に示すように、半導体レーザアレイを構成する各エミッタの出力光線は、２つのコリメートレンズ１４、１５によって平行光線化される。例えば、独国ＬＩＭＯ社製のレンズユニットを用いることができる。このレンズユニットは、半導体レーザの「Fast Axis」 、「Slow  Axis」の各方向の発散をコリメートするシリンドリカルレンズを組み合わせて構成されており、その一方「Fast Axis Collimator」(FAC)が非球面シリンドリカルレンズとされ、他方「Slow  Axis Collimator」(SAC)が、レーザアレイのエミッタ配列ピッチ及び発散角に合わせた球面シリンドリカルレンズアレイである。つまり、半導体レーザアレイに近い方のコリメートレンズ１４を「FAC」、他方のコリメートレンズ１５を「SAC」として、コリメートレンズ１４によって図５のｘ−ｙ平面において各エミッタの出力光線が集光されて平行化され、コリメートレンズ１５のマイクロレンズによって図４のｘ−ｚ平面内において各エミッタの出力光線が集光されて平行化される。尚、レーザダイオードの発散角に関して、ｘ−ｙ平面内ではｘ−ｚ平面内に比べて大きな発散角をもつが、各面について別個のシリンドリカルレンズを用いるので、出射ビーム径をそれぞれ独立に制御して所望のビーム形状にすることができる。また、レーザダイオードの発光領域が大きい場合において、非点収差が問題となるときには、その補正用として上記のシリンドリカルレンズを用いることが好ましい。
【００５９】
コリメートレンズ１４、１５を透過した光は後段の集光レンズ１６によって収束され、線状ビームとしてレーザ媒質１７の一端に照射される。
【００６０】
レーザ媒質１７の端面（反射面）又はこれに付設したミラー、反射手段（１８、１９、２０）を用いて構成される共振器内には、ＳＨＧ等による波長変換用に非線形光学素子２１が設けられている。
【００６１】
レーザ媒質１７と非線形光学素子２１との間の光路上に配置されたミラー１８（平面鏡）、１９（凹面鏡）は、光路折り返し用の反射手段として設けられたものである。本例ではレーザ媒質１７の出力光がｘ軸方向に沿ってミラー１８に到達し、該ミラーにて反射された光がミラー１９に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー１９の反射光が非線形光学素子２１を透過してミラー２０に到達して反射される。尚、反射手段（１８、１９）を用いた光路折り返しにより、装置サイズの小型化が可能である。
【００６２】
ＳＨＧ素子の場合、ミラー１８、１９、２０は、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされる。そして、ミラー１９、２０から有効出力や後方出力（フォトダイオード等の光検出手段を用いてモニタリングされ、図示しない制御回路によって励起用光源の出力制御が行われる。）に係る光がそれぞれｘ軸に沿って反対方向に出射される。また、レーザ媒質１７の端面又は付設のミラーについては、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされ、入射光波長（励起光波長）に対して高透過率とされる。
【００６３】
光路折り返し用のミラー１８、１９において第二高調波（ＳＨＧ光）に対する反射率を最小とすることで迷光を低減できる。
【００６４】
以上のように、レーザダイオードを用いた励起光によって高効率が得られる。
【００６５】
複数のレーザエミッタを１次元的に配列させた並列化光源を用いる場合には、該並列化光源とレーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いて、各レンズエレメントの光軸を各エミッタに対して空間的に一致させることにより高効率での励起が可能となる（特に、１次元横マルチモードの場合、レーザ発振光に対してレーザダイオードのビームパターンの形状が一致するため高効率化に有効である。）。
【００６６】
次に、上記形態（Ｂ）について説明する。
【００６７】
サイドポンプの採用は、構成の簡素化によって部品点数の削減やコスト低減に有効であり、光学的な調整箇所が少ない等の利点が得られ、例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。
【００６８】
（Ｂ−１）並列化光源及び２つのコリメートレンズを用いる形態（図７、図８参照）
（Ｂ−２）並列化光源及び１つのコリメートレンズを用いる形態（図９、図１０参照）
（Ｂ−３）コリメートレンズなしで並列化光源による励起光をレーザ媒質に直接照射する形態（図１２、図１３参照）。
【００６９】
図７及び図８に示す構成例２２では、半導体レーザ（bar laser）、２つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ等）に励起光を照射する。
【００７０】
尚、図７は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図８は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
【００７１】
励起用光源を構成する上記並列化光源１３と、コリメートレンズ１４、１５を用いる点において、図４及び図５の構成例と同様であるが、下記の点で相違する。
【００７２】
・レーザ媒質１７の出力軸がｚ軸方向（長軸方向）に設定されており、並列化光源１３からの励起光がコリメートレンズ１４、１５によって平行化されてｘ軸方向からレーザ媒質１７に対して照射されること
・ｚ軸上に配置されるミラー１８及び２３がレーザ媒質１７を挟んで互いに反対側に位置されていること。
【００７３】
本例では、スラブ状結晶のレーザ媒質１７において、その長手方向（長軸方向）がレーザ発振方向とされ、並列化光源１３の出射光がコリメートレンズ１４、１５を透過して、レーザ媒質１７の側面（ｘ軸に直交する一方の側面）１７ａに照射される。つまり、並列化光源１３を構成するＬＤの各エミッタからの出力光は、コリメートレンズ１４によって図８のｘ−ｙ平面において集光され、コリメートレンズ１５のマイクロレンズによって図７のｘ−ｚ平面内において集光される。そして、コリメートされた平行光線がレーザ媒質１７の側面１７ａに垂直入射する。
【００７４】
尚、固体レーザ媒質として、例えば、ネオジウムイオンをイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ3Ａl5Ｏ12）をドープしたＮｄ：ＹＡＧが挙げられる。その形状については板状のものや、長軸方向における端面が長軸に直交する平面に対して傾斜されて、ブリュースター角での入射条件が得られるように加工された形状が用いられる。
【００７５】
図７に示す反射手段（１８、１９、２０、２３）を用いて構成される共振器内には、ＳＨＧ等による波長変換用に非線形光学素子２１が設けられており、レーザ媒質１７の長軸方向（ｚ軸方向）における両端面からそれぞれ出射されるレーザ発振光の一方がミラー２３に到達して反対方向に反射され、他方の発振光がミラー１８に向けて出力される。
【００７６】
ｚ軸方向に沿ってミラー１８に到達した光は該ミラーで反射され、ミラー１９に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー１９の反射光が非線形光学素子２１を透過してミラー２０に到達して反射される。
【００７７】
ＳＨＧ素子の場合、ミラー１８、１９、２０は、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされ、第二高調波の波長に対して高透過率とされる。そして、ミラー１９、２０から有効出力や後方出力（モニタ光として励起用光源の出力制御に利用される。）に係る光がそれぞれ反対方向に出射される。また、ミラー２３については、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされる。
【００７８】
図９に示す構成例２４では、半導体レーザ（bar laser）と１つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質に励起光を照射する（コリメートレンズ１５が不要とされる。）。つまり、並列化光源１３からの出射光が、コリメートレンズ１４を透過してレーザ媒質１７に照射される点において、上記構成例２２と相違する。尚、図９は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示している。
【００７９】
並列化光源１３の出力するレーザ光は、コリメートレンズ１４を透過した後、反射鏡２５にて反射された上でレーザ媒質１７（Ｎｄ：ＹＡＧ）に側面から照射される。
【００８０】
共振器は、ミラー（平面鏡）２３、凹面鏡１９Ａ、ミラー（平面鏡）２０Ａを用いて構成され、８０ｍｍの間隔をもって配置されたミラー２３と凹面鏡１９Ａとの間の光路上にレーザ媒質１７が配置されている。また、凹面鏡１９Ａとミラー２０Ａとの間の光路上には、非線形光学素子（ＰＰＳＬＴ）２１が所定の距離（２６ｍｍ）をもって配置されている。
【００８１】
尚、ミラー２３、凹面鏡１９Ａは、基本波に対して高反射率とされ、ミラー２０Ａは基本波及び高調波に対して高反射率とされる。
【００８２】
レーザ媒質１７の出力する基本波は、曲率半径５０ｍｍの凹面鏡１９Ａに入射角１０°で入射し、その反射光が非線形光学素子２１を透過してミラー２０Ａで反射される。
【００８３】
非線形光学素子２１で発生する高調波は凹面鏡１９Ａを透過し、該凹面鏡から所定の距離（５．１ｍｍ）をもって位置されたコリメートレンズ（ｆ３０ｍｍ）２６によって平行化されて出力される。
【００８４】
図１０（ｚ軸方向から見た図）に示すように、寄生発振抑制のための波長選択素子又は複屈折フィルタを固体レーザ共振器内の光路上に積極的に配置した構成が挙げられる。
【００８５】
本例では、側面励起方式において、レーザ媒質１７としてＮｄ：ＹＡＧ（長さ１５ｍｍ）を用い、非線形光学素子２１としてＰＰＳＬＴ（長さ３ｍｍ）を用いることによって、基本波（１０６４ｎｍ）からＳＨＧ光（５３２ｎｍ）を出力する。
【００８６】
Ｎｄ：ＹＡＧの端面１７ｂ、１７ｒのうち、その一方１７ｂは、基本波に関してブリュースター角（６１．２°）をもつように加工された傾斜面とされ、また、他方１７ｒはＨＲコートによる反射面であり、基本波に関して高反射率とされる（上記ミラー２３と同様の作用をもつ。）。
【００８７】
Ｎｄ：ＹＡＧからの出射光は、光学素子（波長選択素子又は複屈折フィルタ）２７を透過する。本例では、厚み１乃至３ｍｍ程度の水晶板が用いられ、ブリュースター角での入射条件をもって水晶板に入射され、その出射光が凹面鏡１９Ａ（曲率半径５０ｍｍ）に向かう。尚、水晶板の結晶方位については、図１１（ｙ軸方向からみた図）に示すように、入射面の垂直方向を回転軸にしておよそ４５°の回転方向とされ、ブリュースター角条件を満たすように傾いた姿勢で光路上に配置されている。
【００８８】
凹面鏡１９Ａに到達した光は、反射後（反射角度１０°）に、非線形光学素子２１（ＰＰＳＬＴ）に入射する。ＰＰＳＬＴの端面２１ｂ、２１ｒのうち、その一方２１ｂは、基本波及び第二高調波に関してほぼブリュースター角（６４．９°）をもつように加工された傾斜面とされ、また、他方２１ｒはＨＲコートによる反射面であり、基本波及び高調波に対して高反射率とされる（上記ミラー２０Ａと同様の作用をもつ。）。ＰＰＳＬＴによる高調波は、凹面鏡１９Ａ（出力ミラー）を透過して出力され、図示しないコリメートレンズで集光される。
【００８９】
本例のように、ＰＰＳＬＴ等の結晶長から決まる位相整合許容幅（波長幅）を、基本波の最も強い発振線の線幅以上として、かつそれ以外の近傍の発振線を、波長選択素子又は複屈折フィルタを用いて抑制することが好ましい。
【００９０】
図１２及び図１３に示す構成例２８では、半導体レーザ（bar laser）だけを用い、該レーザにレーザ媒質を近接させてコリメートレンズなしで励起光を照射する。
【００９１】
図１２は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図１３は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
【００９２】
本例では、並列化光源１３を用いてレーザ媒質１７を直接励起するため、コリメートレンズが一切不要であり、部品点数を削減できる。また、その光学アライメントが必要ないので作製工数の削減に有効である。
【００９３】
但し、並列化光源１３からレーザ媒質１７への照射光について、ｘ−ｙ平面内で比較的大きな発散角をもってレーザ媒質１７に入射される場合に、この光がレーザ媒質１７を透過して外部に漏れてしまうと効率低下の原因となる。
【００９４】
そこで、レーザ媒質１７に対して光閉じ込め手段を設けることが好ましく、例えば、該手段として下記に示す構成形態が挙げられる。
【００９５】
・全反射利用を利用する形態
・反射膜を形成する形態
・反射部材等を付設する形態。
【００９６】
例えば、レーザ媒質１７への入射光が、その内部で全反射されるように角度設定や研磨等を行う形態では、反射部材等の付加的な手段が不要である。また、レーザ媒質１７の外表面（ｚ軸に直交する端面を除く。）に反射膜を形成したり、反射部材を設ける形態では、レーザ媒質の内部に入射された光を、反射膜や反射部材での反射によって効率良く閉じ込めることができる。
【００９７】
図１３の丸枠の部分を拡大して右上に示す例では、レーザ媒質１７に対して反射手段（金属膜や金属製ミラー等）２９を用いた励起光の閉じ込めによって、高効率での光吸収が実現され、レーザ効率を向上させることができる。尚、共振器構成等については上記構成例２２の場合と同様である。
【００９８】
上記形態（Ｂ−１）、（Ｂ−２）、（Ｂ−３）の順にコリメートレンズが１つずつ減り、これに従って構成が簡単になるが、（Ｂ−３）では、光閉じ込め手段が必要とされる。
【００９９】
以上のように、形態（Ｂ）によれば、簡易な構成であり、高出力化に適する。そして、励起光を分散できるため、排熱（レーザ媒質の放熱対策）が形態（Ａ）よりも容易であり、安定性の向上や長寿命化等に有利である。また、１次元マルチモード発振の場合、励起法の工夫によってエンドポンプ並みの効率を得ることが可能である。
【０１００】
上記（Ｂ−１）のように、レンズアレイによるコリメートを行う形態では、平行光での励起により、高効率のサイドポンプを実現することが可能である。発振モードサイズと励起光のサイズを一致させれば、１次元横モード発振においてエンドポンプの場合と同様の高効率発振が可能となる。
【０１０１】
また、上記（Ｂ−２）では、ロッドレンズ（コリメータ）を用いて、ｘ−ｙ平面内でのコリメーションを行い、縦方向（ｚ軸方向）において発振モードサイズと励起光のサイズを一致させることができる。
【０１０２】
上記（Ｂ−３）では、レンズを使わないので、部品点数やコストの削減等に有効である。
【０１０３】
図１４は、形態（Ｂ−３）に係る構成例３０を概略的に示した斜視図である。
【０１０４】
図中に設定した３次元直交座標系については、矩形状をしたレーザ媒質１７のレーザ出力軸方向に延びる軸をｚ軸とし、該レーザ媒質１７の側面部への励起光の照射方向に沿う軸をｘ軸に選定し、ｚ軸及びｘ軸に直交する軸をｙ軸に設定している。
【０１０５】
レーザダイオードアレイを用いた光源３１からの側方照射光によって共振器３２内のレーザ媒質１７（Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＶＯ等）の光励起が行われ、レーザ発振光が反射手段３３（平面鏡３３ａと凹面鏡３３ｂ）によって折り返されて線状ビームが非線形光学素子３４に照射される。
【０１０６】
尚、側面励起方式では、レーザ媒質の横幅がアパーチャーとなって、ビーム横幅が決まる。また、縦方向の幅については、共振器ミラー（凹面鏡３３ｂ）の曲率半径を選定することにより、そのサイズを決めることができる。
【０１０７】
上記した各構成において、線状ビームが非線形光学素子３４を透過することにより、波長変換された線状出力光が得られる。該非線形光学素子３４には、周期分極反転構造を有する光学デバイスの使用が好ましい。従来の非線形光学結晶に比べて非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られるとともに、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であるため、低コスト化に有利である。周期分極反転構造を有する非線形光学デバイス（ＳＨＧ素子等）への適用において、周期分極反転材料として、気相平衡法処理（ＶＴＥ：Vapor Transport Equilibration）されたＰＰＳＬＴを用いる場合には、光損傷に強く、長期信頼性に優れており、変換効率が高いデバイスが得られるので、数ワット以上の高出力光（ＳＨＧ光等）を安定に得ることができる。また、その横マルチモード方向と、スラブレーザの横マルチモード方向を一致させることで、横方向にパワースケーリングが可能である。
【０１０８】
強誘電体材料を用いて気相平衡法処理される基板を加工して作製される光学デバイスについて、以下では、化学量論組成周期分極タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ０3）を例にして説明する。
【０１０９】
製造プロセスとしては、概ね下記に示す工程を経て光学デバイスが作製される。
【０１１０】
（１）ウエハー投入
（２）ＶＴＥ
（３）単分域化
（４）パターニング（電極形成等）
（５）周期分極反転（電圧印加による分極反転）
（６）切断・研磨・コート。
【０１１１】
先ず、基板(結晶基板)を装置に投入して設定作業を行う。
【０１１２】
ＶＴＥ工程では、例えば、原料粉末が充填された白金皿等をアルミナ容器に入れて、原料粉末上に基板を配置した後、原料粉末及び基板の周囲を白金るつぼで覆った状態とし、それらをアルミナ容器内に収容して、高温で所定時間加熱する。
【０１１３】
そして、ＶＴＥによる高温処理を経た基板を取り出した後、所定温度で所定の電圧を印加することで単分域化し、リソグラフィーによるパターンニング工程で所定周期（数μｍ程度）の電極（アルミニウム電極等）を形成する。周期分極反転構造では、例えば、強誘電体の基板において分極周期パターンに一致する櫛状電極や格子状電極等を形成し、対をなす電極間（表裏面の電極対等）に所定の外部直流電圧を印加する。これによって、所要の分極反転周期をもったドメイン構造が実現される。
【０１１４】
その後、研磨等の処理工程を経て基板上に形成された個々の素子部分が分離され、光学デバイス（ＳＨＧ素子等）が完成する。
【０１１５】
周期分極反転材料を用いた基板厚は、例えば、０．５乃至１ｍｍ程度とされ、厚い基板ではＶＴＥの処理時間が長くなる等の問題が生じるため、厚みには一定の限界があるが、基板幅（光線伝播方向及び厚み方向に直交する方向の幅）に限界はなく、横幅を充分に大きくすることが可能である。このことは、レーザ媒質から出力される線状ビームに対して、充分な横幅をもった非線形光学素子を配置できることを意味する。つまり、結晶光密度（単位面積当たりの光出力）の限界に対しては、基板の横幅を大きくすることができるので、幅方向へのビーム拡大に関して容易に対応することができ、高出力化に好適である（基板厚に一定の限界が課せられる場合には、基板の幅方向を拡げることが有効である。）。
【０１１６】
このような非線形光学素子を用いたＳＨＧによって、紫外光又は青色光又は緑色光の線状ビームを出力する場合には、希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置する。固体レーザ媒質による高出力の赤外出力光が赤外共振器中の非線形光学素子に照射され、ＳＨＧにより可視光が得られる。例えば、希土類の発振波長により、光色（緑や青）のもととなる発振光を得ることができる。
【０１１７】
次に、寄生発振の抑制に関して、分極反転周期をそれぞれ異にする周期分極反転構造をもった、複数の疑似位相整合（QPM：Quasi-Phase Matching）部を有する構成（所謂マルチグレーティング）について説明する。
【０１１８】
非線形光学素子が、寄生発振波長に対応する分極反転周期の疑似位相整合部を有する場合において、図１５では、３つのQPM部が配置された光学素子３５を例示している（基板面に対して直交する方向からみた概略平面図）。
【０１１９】
つまり、本例では、位相整合波長がそれぞれλ1、λ2、λ3とされ、各波長に応じた分極反転周期のQPM部３６、３７、３８が光軸に沿って配置されている。例えば、ＰＰＳＬＴの場合に、λ1＝１．０６１５（μｍ）、λ2＝１．０６４１５（μｍ）、λ3＝１．０７３７（μｍ）とされ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにおいて、基本波とその近辺での寄生発振線（１０６１ｎｍ、１０７４ｎｍ等）に相当する。
【０１２０】
光の入射側に位置されたQPM部３６は周期Λ1の分極反転構造を有し、QPM部３６から所定の間隔「ｄ１」をもって位置されたQPM部３７は周期Λ2の分極反転構造を有する。そして、QPM部３７から所定の間隔「ｄ２」をもって出射側に位置されたQPM部３８は周期Λ3の分極反転構造を有する。尚、各周期（あるいは反転ピッチ）については、下式を用いて算出される。
【０１２１】
【数２】
2006066817.tif 000004
【０１２２】
図１６には、ＰＰＳＬＴの場合を例にして、横軸に基本波の波長λ（単位：μｍ）をとり、縦軸に分極反転周期「Λ（λ）」（単位：μｍ）をとって両者の関係を示している。
【０１２３】
上記λ1、λ2、λ3のそれぞれに対応する周期Λ1、Λ2、Λ3の各値は、Λ1＝７．９４（μｍ）、Λ2＝８（μｍ）、Λ3＝８．２（μｍ）とされる。
【０１２４】
ＰＰＳＬＴを用いた素子では、その分極反転周期を変えることにより位相整合波長を選ぶことができ、７．９４μｍの周期に対して１０６１ｎｍ、８．２μｍの周期に対して１０７４ｎｍの各波長において位相整合し、これによって意図的に寄生発振の抑制効果を発揮させることができる（ＳＨＧ光の損失に依る。）。
【０１２５】
尚、このような複数のQPM部を含む構成では、高調波出力に関して各部がそれぞれ単独に存在するとした場合の、各高調波出力の総和成分と、それ以外の成分、つまり、各部間での干渉による成分を考慮する必要がある。各QPM部で発生する高調波の干渉についてはそれらの位相関係で決まるため、各QPM部の間、つまり、間隔ｄ１、ｄ２に示す範囲に非QPM部（分極反転構造をもたない部分）を設けている。つまり、非QPM部は、各QPM部で発生する高調波の位相調整に用いられ、ｄ１、ｄ２の値は高調波の出力変動を考慮して規定される。
【０１２６】
上記した１次元光変調素子への照明において、該変調素子の１次元方向（長軸方向）と横マルチモードの方向とを合わせることで、ラインジェネレータ等によるプロファイル変換の必要がなくなり、部品点数を削減することができる。
【０１２７】
また、例えば、回折格子型の１次元空間変調素子（グレーティング・ライト・バルブ素子等）への１次元照明に用いるビーム拡大系について各色共通の構成を用いることができる。つまり、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のビーム毎に異なる構成のビームエキスパンダを用いることは、構成の複雑化等の原因となるため、各色について同じ構成のビームエキスパンダを用いることが好ましく、上記の構成によれば、緑色や青色のビームに対して、赤色ビームの場合と同じ光学的構成を用いて、線状ビームを所定倍率で拡大して１次元光変調素子に照射することができる。例えば、４枚の平凸レンズと１枚の円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）を用いた既知の光学系が挙げられ、１次元光変調素子の長軸方向及び光軸方向を含む面内において、線状ビームを一旦集光してから、該長軸方向に拡大整形すれば良い。
【０１２８】
縦横マルチモード発振の固体レーザ光源を用いた、回折格子型１次元空間変調素子への照明系を有する画像投射装置等への適用を想定した場合に、該素子への照明光に関して、１次元方向（変調素子の長軸方向）では集光特性の空間コヒーレンスに対する要求が厳しくないが、当該方向に直交する方向（変調素子の短軸方向）では所定幅（数十μｍ程度）にビームを絞るために高いコヒーレンスが要求される。上記した構成の照明光学系を採用することによって、そのような要求を満たすべく、１次元変調素子の長軸方向（長手方向）において横マルチモードでの光励起によって１次元方向に拡がったビームを得るとともに、１次元変調素子の短軸方向において、ほぼ回折限界まで絞り込んだ線状ビームを該素子に照射することができる。
【０１２９】
上記に説明した構成によれば、高効率の照明が可能となり、寄生発振のない安定な出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明に係る光源装置の基本構成を示す説明図である。
【図２】位相整合許容幅と発振ゲイン幅との関係について説明するための図である。
【図３】本発明に係る画像生成装置の構成例について要部を示す説明図である。
【図４】図５とともに、本発明に係る構成形態を例示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。
【図５】図４とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。
【図６】並列化光源としてレーザダイオードアレイを例示した斜視図である。
【図７】図８とともに、本発明に係る構成形態の別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。
【図８】図７とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。
【図９】本発明に係るさらに別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。
【図１０】寄生発振抑制のために水晶板を固体レーザ共振器内に設けた構成例を示す図である。
【図１１】図１０の水晶板の設置姿勢を示す図である。
【図１２】図１３とともに、本発明に係るさらに別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。
【図１３】図１２とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。
【図１４】本発明に係る光源装置の構成例を示した斜視図である。
【図１５】複数の疑似位相整合部を有する非線形光学素子の一例を示す説明図である。
【図１６】基本波の波長λと、分極反転周期Λ（λ）との関係を例示したグラフ図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１…光源装置、３…共振器、４…レーザ媒質、５…非線形光学素子、６…画像生成装置、７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ…光変調手段、１７…レーザ媒質、２１…非線形光学素子、３２…共振器、３４、３５…非線形光学素子、３６〜３８…疑似位相整合部
【図１】
2006066817.tif 000005
【図２】
2006066817.tif 000006
【図３】
2006066817.tif 000007
【図４】
2006066817.tif 000008
【図５】
2006066817.tif 000009
【図６】
2006066817.tif 000010
【図７】
2006066817.tif 000011
【図８】
2006066817.tif 000012
【図９】
2006066817.tif 000013
【図１０】
2006066817.tif 000014
【図１１】
2006066817.tif 000015
【図１２】
2006066817.tif 000016
【図１３】
2006066817.tif 000017
【図１４】
2006066817.tif 000018
【図１５】
2006066817.tif 000019
【図１６】
2006066817.tif 000020